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