HUBUNGAN ENERGI FOTON DARI MATAHARI DENGAN FOTOSINTESIS DAN SEL
SOLAR
A. FOTON Pada peristiwa Effek Photo Listrik, Planck
mengkuantisasi energi dari osilator osilator atomic, dan Einstein
mengembangkan konsep kuantisasi dari cahaya itu sendiri. Menurut
Einstein, cahaya terdiri dari foton foton dengan frekuensi sebesar
f. Setiap foton memiliki energi sebesar: E = hf. Effek photo
listrik adalah suatu peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan
logam ketika cahaya dengan frekuensi yang tinggi datang pada
permukaan logam tersebut. Fenomena effek foto listrik pertama kali
ditemukan oleh Hertz ,yaitu bahwa permukaan logam yang bersih
ketika disinari oleh cahaya ultra violet akan memancarkan partikel
bermuatan listrik.Penelitian lebih mendalam tentang fenomena effek
foto listrik dilakukan oleh Philip Lenard. Hasil percobaan efek
photo listrik yang dilakukan oleh Philip Lenard (1902).
1. Energi kinetik rata-rata elektron foto tidak bergantung pada
intensitas cahaya yang digunakan K = eVo, dengan Vo adalah stopping
potensial. Memperbesar intensitas hanya menyebabkan makin banyaknya
elektron foto yang dihasilkan atau arus yang terukur oleh
amperemeter makin besar, namun energi kinetik electron foto tetap
sama. 2. Energi kinetik elektron foto akan makin besar bila
frekuensi cahaya yang digunakan untuk menyinari permukaan logam
bertambah besar.
3. Tiap jenis logam memiliki cut off frekuensi (frekuensi
ambang) yang berbeda beda, bila cahaya yang datang pada permukaan
logam frekuensinya lebih kecil dari frekuensi ambangnya maka tidak
akan terjadi efek foto listrik meskipun intensitas cahayanya cukup
besar.Fakta fakta eksperimen tersebut, tidak bisa dijelaskan secara
benar dengan menggunakan fisika klasik (teori gelombang
elektromagnetik), yaitu penjelasan teoritis tidak sesuai dengan
fakta eksperimen, hal itu berarti ada keterbatasan kemampuan teori
teori fisika klasik ketika diterapkan pada fenomena efek foto
listrik. Einstein (1905) mengemukakan teorinya untuk menjelaskan
fenomena efek foto listrik, dia berasumsi bahwa pada peristiwa efek
fotolistrik cahaya yang datang pada permukaan logam tidak berbentuk
gelombang elektromagnetik, tetapi berbentuk partikel partikel yang
disebut foton. Tiap foton bervibrasi dengan frekuensi f dan tiap
foton memiliki energi E = nhf. Foton bergerak dengan kecepatan sama
dengan cepat rambat cahaya dan memiliki momentum linier P = E/c .
Berbeda dengan gelombang elektromagnetik, ketika foton bergerak
dalam ruang dia tidak menyebar namun tetap terkonsentrasi dalam
paket paket kecil.
Ketika foton foton jatuh pada permukaan logam, maka energi
sebuah foton hf akan diserap oleh sebuah elektron sehingga elektron
dapat loncat keluar dari permukaan logam. Jumlah energi yang
diperlukan elektron untuk loncat keluar logam atau untuk
membebaskan diri dari energi ikat terhadap intinya disebut fungsi
kerja (work function) W. Bila energinya masih ada sisa, maka energi
tersebut akan digunakan oleh elektron foto untuk bergerak (energi
kinetik K) ke keping kolektor. Berdasarkan hukum kekekalan energi
maka:
hf = W + Kmaxdimana W adalah fungsi kerja dari logam, W =hfo,
sehingga
Kmax = h(f fo)
Yang menyatakan bahwa energi kinetic electron foto hanya
bergantung pada frekuensi cahaya yang digunakan, dan sama sekali
tidak bergantung pada intensitas cahaya(sesuai dengan fakta
eksperimen). B. FOTO SINTESIS
Fotosintesis merupakan kata yang berasal dari bahasa Yunani,
yakni foto dan synthesis. Foto sendiri diartikan sebagai cahaya
sedangkan synthesis merupakan kata yang bermakna menggabungkan atau
penggabungan. Apakah sebenarnya fotosintesis tersebut? Secara
sederhana, fotosintesis diartikan sebagai proses pembuatan makanan
yang dilakukan oleh tumbuhan berwarna hijau dengan melibatkan
cahaya matahari di dalamnya. Selain matahari, proses fotosintesis
ini juga melibatkan beberapa enzim.
Daun pada tumbuhan merupakan tempat utama terjadinya proses
fotosintesis untuk menghasilkan energi (nutrisi) berupa gula dan
oksigen yang akan digunakan dalam berbagai aktifitas. Fotosintesis
tak hanya berguna bagi tumbuhan tersebut, tetapi juga bagi semua
makhluk hidup. Dimana pada proses fotosintesis dihasilkan oksigen
yang diperlukan oleh semua makhluk hidup. Hal inilah yang
menjadikan pepohonan sering dijuluki paru-paru dunia. Adapun
persamaan reaksi yang terjadi dalam proses fotosintesis adalah
sebagai berikut:
6H2O + 6CO2 + cahaya C6H12O6 (glukosa) + 6O2Tumbuhan yang
melakukan proses fotosintesis memerlukan bantuan cahaya matahari.
Tumbuhan mampu menyerap cahaya sebab tumbuhan memiliki zat hijau
daun atau klorofil. Klorofil ini sendiri ada di dalam bagian
organel bernama kloroplast. Pada bagian daun tumbuhan, terdapat dua
lapisan sel yang dinamai dengan mesofil. pada bagian ini terdapat
kurang lebih setengah juta kloroplast yang tersebar di setiap
millimeter persegi. Cahaya matahari selanjutnya akan melewati
lapisan epidermis yang tanpa warna kemudian melaju menuju mesofil.
Pada bagian inilah sebagian besar kegiatan fotosintesis
berlangsung.Proses fotosintesis ini sendiri cukup kompleks dan
masih dalam penelitian beberapa ahli. Masih ada banyak hal yang
belum berhasil diungkapkan. Mengapa proses ini kompleks? Sebab ia
melibatkan hampir semua cabang ilmu sains, misalnya bilologi, kimia
dan juga fisika. Organ utama tempat berlangsungnya fotosintesis
adalah daun tepatnya pada bagian stomata atau mulut daun. Proses
fotosintesis ini terdiri atas dua rangkaian reaksi yakni reaksi
terang dan juga reaksi gelap. Dinamakan rekasi terang sebab
prosesnya membutuhkan cahaya. Sementara itu reakasi gelap adalah
proses fotosintesis yang tidak lagi melibatkan cahaya tetapi hanya
karbondioksida.Dalam proses fosintesis, reaksi terang merupakan
proses yang pada akhirnya menghasilkan ATP juga NADPH2. Dalam
reaksi ini diperlukan molekul air. Proses reaksi terang dimulai
dengan menangkap foton yang dilakukan oleh pigmen klorofil yang
berperan sebagai antenna. Di dalam daun, cahaya akan diserap
melalui molekul klorofil dan kemudian dikumpulkan pada pusat-pusat
reaksi. Fotosintesis dimulai pada saat cahaya mulai mengionisasi
molekul klorofil dan kemudian terjadi pelepasan electron.
Sementara itu, apa yang dimaksud dengan reaksi gelap adalah
proses dimana ATP dan juga NADPH yang dihasilkan dalam proses
sebelumnya kemudian menghasilkan sejumlah proses atau reaksi
biokimia.Pada tumbuhan sendiri, reaksi biokimia ini akan terjadi
siklus calvin dimana karbondioksida akan diikat dengan tujuan
membentuk ribose dan lebih lanjut akan menjadi glukosa. Reaksi ini
tidak bergantung pada ada atau tidaknya cahaya matahari.Laju proses
fotosintesis pada tumbuhan bisa berlangsung dengan laju maksimal
jika unsur-unsur pendukungnya terpenuhi yakni antara lain: cahaya,
konsentrasi karbondiosida, suhu, kadar air, jumlah fotosintet atau
hasil fotosintesis dan kemudian tahap pertumbuhan tanaman itu
sendiri.
http://kelasbiologiku.blogspot.com/2013/03/reaksi-dan-proses-fotosintesis-pada.html.
Senin 12.00 200513.C. SEL SOLAR
Energi adalah satu kata yang mempunyai makna sangat luas karena
tidak ada aktivitas di alam raya ini yang bergerak tanpa energi.
Secara umum sumber energi dikategorikan menjadi dua bagian yaitu
non-renewable energy dan renewable energy. Sumber energi fosil
adalah termasuk sumber energi kelompok pertama, dimana sebagaian
besar aktivitas di dunia ini menggunakan energi konvensional
ini.Menggunaan energi konvensional yang semakin menipis,
memunculkan ide tentang digunakannya energi alternative. Para ahli
sekitar tahun delapan puluhan menawarkan sumber energi alternatif
yang akan digunakan di Indonesia adalah nuklir. Pertentangan dan
perdebatan berhasil menggagalkan rencana penggunaan sumber energi
yang dinilai sangat membahayakan itu. Diantara usulan yang banyak
dilontarkan kala itu adalah penggunaan sumber energi matahari.
Memang tidak diragukan lagi bahwa solar cell adalah salah satu
sumber energi yang ramah lingkungan, karena tidak ada polusi yang
dihasilkan selama proses konversi energi. Di Indonesia sumber
energi ini tersedia sangat melimpah, karena sebagai negeri tropis
akan menerima sinar matahari sepanjang tahun.Permasalahan mendasar
dalam teknologi solar cell adalah efisiensi yang sangat rendah
dalam merubah energi surya menjadi energi listrik, yang sampai saat
ini efisiensi tertinggi yang bisa dicapai tidak lebih dari 20%,
itupun dalam skala laboratorium.
Untuk itu di negara-negara maju, penelitian tentang solar cell
ini mendapatkan perhatian yang sangat besar, terlebih dengan isu
bersih lingkungan yang terkenal dengan istilah Green Chemistry.Dari
cahaya menjadi ListrikSecara sederhana solar cell terdiri dari
persambungan bahan semikonduktor bertipe p dan n (p-n junction
semiconductor) yang jika tertimpa sinar matahari maka akan terjadi
aliran electron, nah aliran electron inilah yang disebut sebagai
aliran arus listrik. Sedangkan struktur dari solar cell adalah
seperti ditunjukkan pada gambar 6.Bagian utama perubah energi sinar
matahari menjadi listrik adalah absorber (penyerap), meskipun
demikian, masing-masing lapisan juga sangat berpengaruh terhadap
efisiensi dari solar cell. Sinar matahari terdiri dari
bermacam-macam jenis gelombang elektromagnetik yang secara spectrum
dapat dilihat pada gambar 7. Oleh karena itu absorber disini
diharapkan dapat menyerap sebanyak mungkin solar radiation yang
berasal dari cahaya matahari.Lebih detail lagi bisa dijelaskan
sinar matahari yang terdiri dari photon-photon, jika menimpa
permukaaan bahan solar sel (absorber), akan diserap, dipantulkan
atau dilewatkan begitu saja (lihat gambar 8), dan hanya foton
dengan level energi tertentu yang akan membebaskan electron dari
ikatan atomnya, sehingga mengalirlah arus listrik. Level energi
tersebut disebut energi band-gap yang didefinisikan sebagai
sejumlah energi yang dibutuhkan utk mengeluarkan electron dari
ikatan kovalennya sehingga terjadilah aliran arus listrik. Untuk
membebaskan electron dari ikatan kovalennya, energi foton (hc/v
harus sedikit lebih besar atau diatas daripada energi band-gap.
Jika energi foton terlalu besar dari pada energi band-gap, maka
extra energi tersebut akan dirubah dalam bentuk panas pada solar
sel. Karenanya sangatlah penting pada solar sel untuk mengatur
bahan yang dipergunakan, yaitu dengan memodifikasi struktur molekul
dari semikonduktor yang dipergunakan.
Tentu saja agar efisiensi dari solar cell bisa tinggi maka foton
yang berasal dari sinar matahari harus bisa diserap yang sebanyak
banyaknya, kemudian memperkecil refleksi dan remombinasi serta
memperbesar konduktivitas dari bahannya.
Untuk bisa membuat agar foton yang diserap dapat sebanyak
banyaknya, maka absorber harus memiliki energi band-gap dengan
range yang lebar, sehingga memungkinkan untuk bisa menyerap sinar
matahari yang mempunyai energi sangat bermacam-macam tersebut.
Salah satu bahan yang sedang banyak diteliti adalah CuInSe2 yang
dikenal merupakan salah satu dari direct semiconductor.
Dari begitu banyak keuntungan solar cell seperti telah diuraikan
diatas ternyata tidak polemik tidak kemudian berhenti begitu saja,
masih ada yang mengatakan memang benar solar cell ketika melakukan
proses perubahan energi tidak ada polusi yang dihasilkan, tetapi
sudahkah kita menghitung berapa besar polusi yang telah dihasilkan
dalam proses pembuatannya, dibandingkan kecilnya efisiensi yang
dihasilkan. Nah tantangannya disini adalah memang bagaimana untuk
menaikkan efisiensi, yang tentunya akan berdampak kepada nilai
ekonomisnya. ( Rusminto Tjatur WIDODO, Dosen EEPIS-ITS Surabaya dan
mahasiswa Program Doktor jurusan Nano Structure and Advanced
Materials, Universitas Kagoshima Jepang, 2003). D. FOTO SINTESIS
DALAM SOLAR SEL
Eka Maulana (2013), menyebutkan bahwa Solar Sel Organik - DSSC
(Dye-Sensitized Solar Cell) adalah fotosintesis yang dirancang
manusia. Lebih Eka Maulana menjelaskan proses tersebut dengan
diagram berikut:
Berdasarkan gambar di atas dapat dilihat dengan sangat jelas
bahwa prinsip kerja solar sel organik ini menyerupai prinsip dari
fotosintesis. Jika pada fotosintesis chlorophyll menjadi faktor
utama sebagai antena penangkap foton untuk ditransferkan ke bagaian
lain dari daun, maka pada solar sel organik peran klorofil diambil
aliholeh dye (hybiscus tea) sehingga foton akan diubah menjadi
energi listrik. Sementara Septina, dkk (2007), ternyata telah
melakukan penelitian serupa dan menghasilkan sel solar organik yang
ramah lingkungan ditinjau dari proses pembuatannya. Hasil
penelitian Septina ini adalah: (1) Prototipe dye sensitized solar
cell (DSSC) berasal dari kombinasi bahan inorganik TiO2 dengan
bahan organik dye dari ekstraksi buah delima, (2) DSSC yang dibuat
dapat mengkonversi energi surya menjadi energi listrik, (3)
Struktur TiO2, jenis dye (karakteristik absorbsi cahaya), dan
enkapsulasi sel surya menentukan performansi sel surya, (4)
Teknologi pembuatan DSSC ini relatif cukup murah dan tidak
membutuhkan peralatan yang besar dan mahal bila dibanding dengan
solar sel silikon.DAFTAR
PUSTAKAhttp://kelasbiologiku.blogspot.com/2013/03/reaksi-dan-proses-fotosintesis-pada.html.
Diunduh pada hari senin 20 Mei 2013 jam 12.00
wita.http://maulana.lectur.ub.ac.id.files.2013.03.04-elektronika-Organik-Solar-Sel-Organik-DSSC.pdf.
Diunduh pada hari sabtu 18 Mei 2013 jam 08.40 wita.
Septina, dkk (2007), Pembuatan Prototipe Solar Cell Murah dengan
Bahan Organik-Inorganik (Dye-sensitized Solar Cell). Laporan Akhir
Penelitian Bidang Energi, Istitut Teknologi Bandung.
WIDODO, Rusminto Tjatur (2003). Solar Cell : Sumber Energi masa
depan yang ramah lingkungan. Dosen EEPIS-ITS Surabaya dan mahasiswa
Program Doktor jurusan Nano Structure and Advanced Materials,
Universitas Kagoshima Jepang.Hertz
Gambar 1. Skema Percobaan efek foto listrik
Gambar 2. Frekuensi ambang
Alberth Einstein
Gambar 3. Perbedaan foton dengan gelombang elektromagnetik
Gambar 4. Fotosintesis
Gambar 5. Diagram Fotosintesis
Gambar 6. Struktur lapisan tipis
solar sel secara umum
Gambar 7. Spektrum radiasi sinar matahari
Gambar 8. Radiative transition of solar cell
Gambar 9. Inside a photovoltaic cell