BAB I
Pendahuluan
1.1 Latar Belakang Masalah
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
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 spectrometer
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 electron 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 alam 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 5.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.
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.
BAB II
Pembahasan
Ilmu kimia adalah ilmu alam yang mempelajari tentang
perubahan materi, baik perubahan yang terjadi secara kimia atau pun secara
fisika. Untuk mengetahui perubahan tersebut dapat dikaji berdasarkan perubahan
energi yang menyertai perubahan-perubahan pada materi.
Dalam hal ini diperlukan suatu teori, yaitu termodinamika kimia,
di mana teori ini diturunkan dari hukum mekanika. Dan untuk memahaminya
diperlukan teori kinetika kimia, di mana teori ini
diturunkan dari hukum-hukum kinematika.
Perubahan materi bisa juga dikaji dari sifat-sifat
materi sebelum dan sesudah mengalami perubahan untuk mengetahui sifat-sifat
materi maka diperlukan teori yang disebut spektroskopi, yang berguna untuk mengkaji struktur dan
komposisi materi.
Perkembangan Ilmu Kimia
Awalnya, ilmu kimia berawal dari percobaan-percobaan bermacam
materi yang dilakukan dengan mencoba-coba hanya untuk tujuan praktis. Perkembangan ilmu kimia tidak terlepas
dari hasil dan cara-cara tradisional yang diperoleh secara kebetulan.
Kemudian, perkembangannya dipengaruhi oleh filsafat Yunani kuno. Oleh karena itu, ilmu kimia memiliki dua
landasan yaitu; teoritis dan empiris. Pada masa lampau manusia sering
mengkaitkan suatu gejala alam dengan hal yang berbau magis atau
supernatural yang akhirnya dikenal sebagai mitos.
Dengan adanya perkembangan kebudayaan dan peradaban manusia, filsafat Yunani
kuno menerangkan peristiwa alam tersebut dengan logika seperti yang dilakukan
oleh Aristoteles dan Plato yang mengemukakan bahwa materi di alam ini terdiri
dari empat unsur, yaitu: api, tanah, air dan
udara. Yang kemudian mengembangkan gagasan mengenai panas, dingin, kering, dan
lembap.
Filsuf Yunani mempercayai bahwa materi dapat diubah menjadi materi
lain dengan mengubah sifat-sifatnya, seperti api yang panas dapat diubah
menjadi air yang dingin. Pandangan tersebut bertahan sampai akhirnya muncul
Alkimia, yang pertama kali berkembang di Mesir.
Alkimia
Walaupun konsep yang
diberikan oleh pakar alkimia belum merupakan teori ilmiah,
namun kehadirannya menyumbangkan perkembangan ilmu kimia berikutnya. Salah satu
sumbangan alkimia terhadap perkembangan ilmu kimia adalah pemberian
lambang-lambang zat-zat kimia yang ditemukan pada waktu itu. Teori-teori yang
lahir pada waktu itu kurang dipublikasikan, ilmuwan-ilmuwan pada waktu itu
adalah Ibnu Sina dan Ibnu Hayan.
Pada abad XVI – XVII adalah masa di mana terjadi peralihan antara
alkimia ke ilmu kimia sebagai ilmu pengetahuan alam modern.
Beberapa pakar yang mewakili perkembangan ilmu kimia modern adalah: Joseph
Priestley (1733 – 1804), Antoine Lavoiser (1743 – 1794), dan John Dalton (1766
– 1844).
Kimia modern lahir sebab temuan-temuannya dilandasi dengan konsep,prinsip dan teori yang dikembangkan melalui
kajian eksperimen dan metoda ilmiah. Yaitu dengan melakukan pengamatan, mencari
pola berdasarkan pengamatan, perumusan teori, dan pengujian teori.
Pengamatan yang dimaksud adalah mengamati gejala-gejala yang akan
diteliti agar dapat melihat dan mengetahui gejala keteraturan
dari data yang dihasilkan. Aspek penelitian lainnya adalah eksplansi,
yaitu dengan menggunakan suatu atau beberapa hipotesis yang harus dilakukan uji
coba yang baru hipotesis berhasil menjadi sebuah teori apabila berhasil melalui
serangkaian ujian.
BAB III
Kesimpulan
Ilmu kimia adalah ilmu alam yang mempelajari tentang
perubahan materi, baik perubahan yang terjadi secara kimia atau pun secara
fisika. Untuk mengetahui perubahan tersebut dapat dikaji berdasarkan perubahan
energi yang menyertai perubahan-perubahan pada materi.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar