BAB I
PENDAHULUAN
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Ilmu kimia merupakan suatu cabang ilmu yang di
dalamnya mempelajari bangun (strukutur) materi dan
perubahan-perubahan yang dialami materi ini dalam prosesproses
alamiah maupun dalam eksperimen yang direncanakan
(Keenan, 1984). Salah satu ilmu dalam kimia adalah kimia
teori, dimana metode matematika yang dikombinasikan
dengan hukum dasar fisika akan dapat menjelaskan suatu
proses kimia yang bersangkutan. Kimia teori pada mulanya
hanya bisa memecahkan masalah sebatas satu atau dua partikel
yang bergabung menjadi satu kesatuan partikel, yang mana
kemudian memperkenalkan sistem koordinat pusat massa.
Tetapi dengan adanya suatu pemecahan masalah secara
numerik, dimana hasilnya memiliki tingkat keakurasian yang
tinggi, berbagai masalah dalam sistem dengan komponen
penyusun yang agak kompleks dapat dipecahkan. Munculnya
piranti komputer membuat perhitungan numerikal dengan
angka tinggi semakin akurat. Hal ini menyebabkan munculnya
bidang baru dalam kimia yaitu kimia komputasi (Jensen,
2007). Komputer saat ini telah banyak digunakan dalam
berbagai keperluan kimia, misalnya pada NMR spektrometer
dan berbagai macam pemodelan untuk suatu reaksi kimia.
Kimia komputasi dapat dengan cepat menjelaskan
tentang teori kimia, dimana tujuan utamanya adalah untuk
memecahkan masalah yang berhubungan dengan perhitungan.
Kimia komputasi terbagi dalam tiga masalah utama, yaitu
mengartikan kode, problem teknik, dan memperkirakan hasil
yang berkualitas (Jensen, 2007). Kimia komputasi dapat
melakukan perhitungan dengan intensif dan dapat mengolah
data dalam jumlah besar. Dari data, sebagai contoh dapat
diolah menjadi susunan gen untuk bioinformatik yang
digunakan sebagai pembading. Sedangkan perhitungan yang
intensif dapat dihubungkan dengan simulasi dari kejadian yang
terdapat di alam, dan disebut sebagai model komputasi.
Dengan adanya simulasi, terutama menggunakan teori modern
mekanika kuantum, kita dapat memahami dan memprediksi
reaksi kimia dan juga dapat mempelajari fase-ringkas dari
katalitik, elektrokimia, dan reaksi fotokimia. Banyak reaksi
yang melibatkan transfer elektron, dan kadang juga
dikombinasikan dengan pemutusan dan pembentukan ikatan
kimia. Variabel termodinamik merupakan kunci utama dalam
menggambarkan bertambahnya atau berkurangnya elektron
dalam suatu spesies kimia (Wardman, 1989).
Kimia komputasi ini menggunakan berbagai macam
variabel. Variabel yang digunakan dipengaruhi atau ditentukan
oleh dari segi mana atau sudut pandang kita dalam
memecahkan masalah atau persoalan dalam berbagai macam
reaksi kimia. Dalam kimia komputasi variabel yang dapat
digunakan antara lain variabel ruang dan waktu dalam
persamaan Schrodinger yang di dalamnya terdapat energi
kinetik dengan operator Hamiltonian. Selain variabel diatas
juga terdapat variabel lain yang dapat digunakan untuk
perhitungan dan menunjang teori yaitu variabel elektronik dan
inti (Jensen, 2007). Variabel inilah yang nantinya kita gunakan
dalam penelitian ini dengan menggunakan metode struktur
elektron pada partikel yang bebas, dalam artian partikel ini
tidak berikatan dengan partikel yang lain. Dengan
menggunakan metode ini kita dapat memperkirakan terjadinya
transfer muatan pada dye dengan semikonduktor pada sel
surya pewarna tersensitasi.
Sel surya atau biasa disebut dengan solar cell atau
photovolataic cell generasi pertama yang menggunakan
silikon diperkenalkan pada tahun 1954 dan digunakan secara
luas hingga pertengahan tahun 70an (kazmeski, 1997).
Sebelumnya sel surya dibuat dengan menggunakan tembaga
oksida atau perak klorida yang di-coating pada elektroda
logam yang direndam dalam larutan elektrolit pada tahun 1839
oleh Becquerel (Smestad, 1998). Sel surya pada dasarnya
bekerja dengan mengubah energi matahari menjadi energi
listrik. Sel surya sendiri merupakan merupakan suatu
semikonduktor dimana permukaannya cukup luas dan terdiri
dari rangkaian dioda tipe p dan n, sehingga mampu mengubah
energi matahari menjadi energi listrik. Selama ini manusia
lebih banyak menggunakan energi kovensional yang berasal
dari minyak bumi maupun gas alam dan batu bara. Hal ini
membuat cadangan sumber daya alam ini semakin berkurang
dan butuh waktu yang sangat lama untuk kembali
memperbaruinya. Oleh karena itu muncul ide untuk
menggunakan energi matahari yang tak terbatas dan dapat
diperbarui sebagai sumber energi yang baru (Wan, 2004).
Tetapi sebelum ditemukan sel surya ini pemanfaatan energi
matahari hanya sebatas bentuk energi panasnya.
Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi
elektromagnetik yang sebagian dapat dideteksi oleh manusia
sebagai sinar tampak (Agar, 2005). Digunakannya energi
matahari ini sangat menguntungkan. Energi listrik yang
dihasilkan oleh sel surya tidak mengeluarkan limbah, baik gasgas
beracun ataupun limbah nuklir yang ditimbulkan
pembangkit listrik tenaga nuklir (Cohen, 2004). Selain itu,
seiring dengan kemajuan teknologi sel surya juga ikut
berkembang sehingga memberikan keuntungan yang lain.
Perkembangan paling berarti dalam penelitian sel surya adalah
penemuan sel surya yang menggunakan pewarna tersensitasi
(SSPT) oleh Michael Grätzel pada 1991. Sel surya ini disebut
juga dengan sel Grätzel, yaitu jenis sel surya yang melibatkan
proses absorbsi optis dan proses pemisahan muatan karena
keberadaan sensitizer sebagai materi penyerap cahaya dengan
semikonduktor berpita lebar yang memiliki struktur morfologi
nanokristalin. Keuntungan dari SSPT ini adalah biaya
pabrikasi yang relatif murah, dapat dioperasikan di bawah
kondisi penyinaran yang terhambur, performa sel dapat dibuat
bersifat opaque (Gräzel, 2003).
SSPT memanfaatkan interaksi foton dengan
fotosensitizer, khususnya pewarna yang menghasilkan
pewarna tersensitasi untuk menghasilkan energi listrik. Secara
umum SSPT tersusun dari jaringan nanokristalin dari
semikonduktor dengan band gap yang lebar, semisal TiO2.
Jaringan ini kemudian ditutup dengan menggunakan lapisan
tunggal molekul-molekul pewarna, semisal Ru.
Semikonduktor didepositkan pada elektroda oksida konduktif
(TCO) jernih, yang nantinya sel akan dieluminasi melalui
lapisan tersebut. Pori-pori TiO2 diisi dengan elektrolit
pasangan redoks (I-/I3
-) yang berfungsi sebagai konduktor.
Kemudian secara elektrik, elektroda tersebut dihubungkan
dengan elektroda platinum. Selama iluminasi, elektron akan
diinjeksikan dari pewarna fotoeksitasi ke dalam
semikonduktor dan bergerak melalui subtrat TCO. Sedangkan
elektrolit akan mereduksi pewarna yang teroksidasi dan
menghantarkan muatan positif ke elktroda Pt (Cohen, 2004;
Zaban, 2003). Jadi dalam SSPT terdapat tiga proses yang
terlibat, yaitu eksitasi fotosensitizer oleh foton, pemanfaatan
pita konduksi pada semikonduktor dan reaksi redoks pada
larutan elektrolit.
Prinsip kerja SSPT secara umum adalah foton yang
menerobos kristal nano diabsorb oleh fotosensitizer dan
mengeksitasi elektron dari fotosensitizer ke keadaan
tereksitasi. Melalui transfer muatan, elektron yang berada pada
keadaan tereksitasi akan turun ke pita konduksi dari TiO2 .
Selanjutnya dari pita konduksi TiO2 , elektron akan mengalir
melalui elektroda menuju elektroda lawan. Elektron yang ada
di elektroda lawan akan bereaksi dengan larutan elektrolit
yang akan menyebabkan terjadinya reaksi redoks pada
elektrolit. Reaksi redoks pada elektrolit pada gilirannya akan
memberikan elektron kepada fotosensitizer dan siap untuk
dieksitasi lagi untuk memulai siklus berikutnya (Akhlus,2007).
Proses bagaimana elektron dari dye ke pita konduksi inilah
yang diteliti secara komputasi dalam penelitian ini. Proses
emisi atau turunnya elektron ke pita konduksi ini dapat
ditinjau dari berbagai sudut pandang, dalam penelitian ini
sudut pandang yang digunakan adalah melalui pendekatan
secara asimetri top. Pendekatan ini didasarkan pada perbedaan
level energi pada molekul. Hal ini dipengaruhi oleh bentuk
struktur dari molekul dye itu sendiri. Struktur molekul
memiliki harga energi yang berbeda-beda. Dari perbedaan
energi inilah yang nantinya akan memberikan kita hasil dalam
percobaan ini bagaimana bentuk struktur dye yang optimum,
yaitu yang menghasilkan energi terbesar.
1.2 Permasalahan
Permasalahan dalam penelitian ini adalah bagaimana
menjadikan suatu proses dalam alam dapat dijadikan sebuah
model komputasi dengan keakuratan yang tinggi. Selain itu,
data-data yang akan dimasukkan dalam variabel juga menjadi
masalah tersendiri.
1.3 Batasan Masalah
Penelitian ini hanya menganalisa dan memprediksikan
pengaruh dari perbedaan tingkat energi suatu molekkul dye
terhadap energi total yang berpengaruh pada SSPT. Selain itu
dalam penelitian ini kita hanya mengandalkan perhitungan
numerik dari data yang telah ada dari penelitian sebelumnya.
Hanya dengan menggunakan satu metode perhitungan
diharapkan kita dapat menemukan konsisi terbaik dalam kasus
ini.
6
1.4 Tujuan
Tujuan dari dilakukannya penelitian ini adalah untuk
memperkirakan pengaruh dari perbedaan tingkat energi dari
suatud dye terhadap energi total yang dihasilkan. Dari sisin
kita dapat mengetahui struktur dye yang seperti apa yang
dapat memberikan energi terbesar untuk SSPT secara
keseluruhan. Selain itu dari penelitian ini dapat digunakan
untuk membandingkan dye seperti apa yang dapat
menghasilkan energi terbesar dalam SSPT dengan penggunaan
pendekatan perbedaan tingkat energi dan pendekatan
menggunakan bilangan kuantum.
dalamnya mempelajari bangun (strukutur) materi dan
perubahan-perubahan yang dialami materi ini dalam prosesproses
alamiah maupun dalam eksperimen yang direncanakan
(Keenan, 1984). Salah satu ilmu dalam kimia adalah kimia
teori, dimana metode matematika yang dikombinasikan
dengan hukum dasar fisika akan dapat menjelaskan suatu
proses kimia yang bersangkutan. Kimia teori pada mulanya
hanya bisa memecahkan masalah sebatas satu atau dua partikel
yang bergabung menjadi satu kesatuan partikel, yang mana
kemudian memperkenalkan sistem koordinat pusat massa.
Tetapi dengan adanya suatu pemecahan masalah secara
numerik, dimana hasilnya memiliki tingkat keakurasian yang
tinggi, berbagai masalah dalam sistem dengan komponen
penyusun yang agak kompleks dapat dipecahkan. Munculnya
piranti komputer membuat perhitungan numerikal dengan
angka tinggi semakin akurat. Hal ini menyebabkan munculnya
bidang baru dalam kimia yaitu kimia komputasi (Jensen,
2007). Komputer saat ini telah banyak digunakan dalam
berbagai keperluan kimia, misalnya pada NMR spektrometer
dan berbagai macam pemodelan untuk suatu reaksi kimia.
Kimia komputasi dapat dengan cepat menjelaskan
tentang teori kimia, dimana tujuan utamanya adalah untuk
memecahkan masalah yang berhubungan dengan perhitungan.
Kimia komputasi terbagi dalam tiga masalah utama, yaitu
mengartikan kode, problem teknik, dan memperkirakan hasil
yang berkualitas (Jensen, 2007). Kimia komputasi dapat
melakukan perhitungan dengan intensif dan dapat mengolah
data dalam jumlah besar. Dari data, sebagai contoh dapat
diolah menjadi susunan gen untuk bioinformatik yang
digunakan sebagai pembading. Sedangkan perhitungan yang
intensif dapat dihubungkan dengan simulasi dari kejadian yang
terdapat di alam, dan disebut sebagai model komputasi.
Dengan adanya simulasi, terutama menggunakan teori modern
mekanika kuantum, kita dapat memahami dan memprediksi
reaksi kimia dan juga dapat mempelajari fase-ringkas dari
katalitik, elektrokimia, dan reaksi fotokimia. Banyak reaksi
yang melibatkan transfer elektron, dan kadang juga
dikombinasikan dengan pemutusan dan pembentukan ikatan
kimia. Variabel termodinamik merupakan kunci utama dalam
menggambarkan bertambahnya atau berkurangnya elektron
dalam suatu spesies kimia (Wardman, 1989).
Kimia komputasi ini menggunakan berbagai macam
variabel. Variabel yang digunakan dipengaruhi atau ditentukan
oleh dari segi mana atau sudut pandang kita dalam
memecahkan masalah atau persoalan dalam berbagai macam
reaksi kimia. Dalam kimia komputasi variabel yang dapat
digunakan antara lain variabel ruang dan waktu dalam
persamaan Schrodinger yang di dalamnya terdapat energi
kinetik dengan operator Hamiltonian. Selain variabel diatas
juga terdapat variabel lain yang dapat digunakan untuk
perhitungan dan menunjang teori yaitu variabel elektronik dan
inti (Jensen, 2007). Variabel inilah yang nantinya kita gunakan
dalam penelitian ini dengan menggunakan metode struktur
elektron pada partikel yang bebas, dalam artian partikel ini
tidak berikatan dengan partikel yang lain. Dengan
menggunakan metode ini kita dapat memperkirakan terjadinya
transfer muatan pada dye dengan semikonduktor pada sel
surya pewarna tersensitasi.
Sel surya atau biasa disebut dengan solar cell atau
photovolataic cell generasi pertama yang menggunakan
silikon diperkenalkan pada tahun 1954 dan digunakan secara
luas hingga pertengahan tahun 70an (kazmeski, 1997).
Sebelumnya sel surya dibuat dengan menggunakan tembaga
oksida atau perak klorida yang di-coating pada elektroda
logam yang direndam dalam larutan elektrolit pada tahun 1839
oleh Becquerel (Smestad, 1998). Sel surya pada dasarnya
bekerja dengan mengubah energi matahari menjadi energi
listrik. Sel surya sendiri merupakan merupakan suatu
semikonduktor dimana permukaannya cukup luas dan terdiri
dari rangkaian dioda tipe p dan n, sehingga mampu mengubah
energi matahari menjadi energi listrik. Selama ini manusia
lebih banyak menggunakan energi kovensional yang berasal
dari minyak bumi maupun gas alam dan batu bara. Hal ini
membuat cadangan sumber daya alam ini semakin berkurang
dan butuh waktu yang sangat lama untuk kembali
memperbaruinya. Oleh karena itu muncul ide untuk
menggunakan energi matahari yang tak terbatas dan dapat
diperbarui sebagai sumber energi yang baru (Wan, 2004).
Tetapi sebelum ditemukan sel surya ini pemanfaatan energi
matahari hanya sebatas bentuk energi panasnya.
Matahari memancarkan energi dalam bentuk radiasi
elektromagnetik yang sebagian dapat dideteksi oleh manusia
sebagai sinar tampak (Agar, 2005). Digunakannya energi
matahari ini sangat menguntungkan. Energi listrik yang
dihasilkan oleh sel surya tidak mengeluarkan limbah, baik gasgas
beracun ataupun limbah nuklir yang ditimbulkan
pembangkit listrik tenaga nuklir (Cohen, 2004). Selain itu,
seiring dengan kemajuan teknologi sel surya juga ikut
berkembang sehingga memberikan keuntungan yang lain.
Perkembangan paling berarti dalam penelitian sel surya adalah
penemuan sel surya yang menggunakan pewarna tersensitasi
(SSPT) oleh Michael Grätzel pada 1991. Sel surya ini disebut
juga dengan sel Grätzel, yaitu jenis sel surya yang melibatkan
proses absorbsi optis dan proses pemisahan muatan karena
keberadaan sensitizer sebagai materi penyerap cahaya dengan
semikonduktor berpita lebar yang memiliki struktur morfologi
nanokristalin. Keuntungan dari SSPT ini adalah biaya
pabrikasi yang relatif murah, dapat dioperasikan di bawah
kondisi penyinaran yang terhambur, performa sel dapat dibuat
bersifat opaque (Gräzel, 2003).
SSPT memanfaatkan interaksi foton dengan
fotosensitizer, khususnya pewarna yang menghasilkan
pewarna tersensitasi untuk menghasilkan energi listrik. Secara
umum SSPT tersusun dari jaringan nanokristalin dari
semikonduktor dengan band gap yang lebar, semisal TiO2.
Jaringan ini kemudian ditutup dengan menggunakan lapisan
tunggal molekul-molekul pewarna, semisal Ru.
Semikonduktor didepositkan pada elektroda oksida konduktif
(TCO) jernih, yang nantinya sel akan dieluminasi melalui
lapisan tersebut. Pori-pori TiO2 diisi dengan elektrolit
pasangan redoks (I-/I3
-) yang berfungsi sebagai konduktor.
Kemudian secara elektrik, elektroda tersebut dihubungkan
dengan elektroda platinum. Selama iluminasi, elektron akan
diinjeksikan dari pewarna fotoeksitasi ke dalam
semikonduktor dan bergerak melalui subtrat TCO. Sedangkan
elektrolit akan mereduksi pewarna yang teroksidasi dan
menghantarkan muatan positif ke elktroda Pt (Cohen, 2004;
Zaban, 2003). Jadi dalam SSPT terdapat tiga proses yang
terlibat, yaitu eksitasi fotosensitizer oleh foton, pemanfaatan
pita konduksi pada semikonduktor dan reaksi redoks pada
larutan elektrolit.
Prinsip kerja SSPT secara umum adalah foton yang
menerobos kristal nano diabsorb oleh fotosensitizer dan
mengeksitasi elektron dari fotosensitizer ke keadaan
tereksitasi. Melalui transfer muatan, elektron yang berada pada
keadaan tereksitasi akan turun ke pita konduksi dari TiO2 .
Selanjutnya dari pita konduksi TiO2 , elektron akan mengalir
melalui elektroda menuju elektroda lawan. Elektron yang ada
di elektroda lawan akan bereaksi dengan larutan elektrolit
yang akan menyebabkan terjadinya reaksi redoks pada
elektrolit. Reaksi redoks pada elektrolit pada gilirannya akan
memberikan elektron kepada fotosensitizer dan siap untuk
dieksitasi lagi untuk memulai siklus berikutnya (Akhlus,2007).
Proses bagaimana elektron dari dye ke pita konduksi inilah
yang diteliti secara komputasi dalam penelitian ini. Proses
emisi atau turunnya elektron ke pita konduksi ini dapat
ditinjau dari berbagai sudut pandang, dalam penelitian ini
sudut pandang yang digunakan adalah melalui pendekatan
secara asimetri top. Pendekatan ini didasarkan pada perbedaan
level energi pada molekul. Hal ini dipengaruhi oleh bentuk
struktur dari molekul dye itu sendiri. Struktur molekul
memiliki harga energi yang berbeda-beda. Dari perbedaan
energi inilah yang nantinya akan memberikan kita hasil dalam
percobaan ini bagaimana bentuk struktur dye yang optimum,
yaitu yang menghasilkan energi terbesar.
1.2 Permasalahan
Permasalahan dalam penelitian ini adalah bagaimana
menjadikan suatu proses dalam alam dapat dijadikan sebuah
model komputasi dengan keakuratan yang tinggi. Selain itu,
data-data yang akan dimasukkan dalam variabel juga menjadi
masalah tersendiri.
1.3 Batasan Masalah
Penelitian ini hanya menganalisa dan memprediksikan
pengaruh dari perbedaan tingkat energi suatu molekkul dye
terhadap energi total yang berpengaruh pada SSPT. Selain itu
dalam penelitian ini kita hanya mengandalkan perhitungan
numerik dari data yang telah ada dari penelitian sebelumnya.
Hanya dengan menggunakan satu metode perhitungan
diharapkan kita dapat menemukan konsisi terbaik dalam kasus
ini.
6
1.4 Tujuan
Tujuan dari dilakukannya penelitian ini adalah untuk
memperkirakan pengaruh dari perbedaan tingkat energi dari
suatud dye terhadap energi total yang dihasilkan. Dari sisin
kita dapat mengetahui struktur dye yang seperti apa yang
dapat memberikan energi terbesar untuk SSPT secara
keseluruhan. Selain itu dari penelitian ini dapat digunakan
untuk membandingkan dye seperti apa yang dapat
menghasilkan energi terbesar dalam SSPT dengan penggunaan
pendekatan perbedaan tingkat energi dan pendekatan
menggunakan bilangan kuantum.
0 komentar:
Posting Komentar