BAB II

KAJIAN TEORI

A. Landasan Teori

1. Pengertian Cahaya Matahari

Cahaya matahari berasal dari rangkaian dua istilah kata berbeda,

yaitu cahaya dan matahari. Masing-masing kata itu memiliki pengertian

sendiri-sendiri, yaitu cahaya yang artinya semacam radiasi yang bergerak

dengan kecepatan yang sangat tinggi yang berasal dari matahari, lampu,

listrik dan benda-benda yang terbakar lainnya.1

Pengemukaan definisi cahaya telah ada sejak berabad-abad yang

lalu, mulai dari Descartes yang mengemukakan bahwa cahaya adalah

perambatan impuls mekanik, kemudian Newton dengan Teori Partikel

Cahaya yang menyatakan bahwa cahaya adalah gerakan partikel-partikel.

Sedangkan Huygens dipihak lain menyatakan bahwa cahaya adalah

gerakan gelombang-gelombang. Menurut Huygens cahaya itu merambat

dengan dorongan tenaga atau gelombang, tidak beda dengan sebutir batu

kerikil yang kita lemparkan ke dalam sebuah kolam yang bisa

memancarkan riak gelombang di atas permukaan air. Percobaan

interferensi yang dilakukan oleh Thomas Young dan difraksi yang

1 “Oxford Ensiklopedia Pelajar,” Oxford University Press. Hal 204

6

7

menghasilkan bintik terang poisson adalah dua percobaan yang

mematahkan dominasi Teori Partikel-nya Newton. Sejak itu keabsahan

Teori Gelombang Cahaya diterima dan Teori Partikel Cahaya Newton

segera ditinggalkan. Tetapi saat Teori Kuantum dalam Fisika Modern ada

fenomena cahaya, misalnya efek fotolistrik yang tidak dapat dijelaskan

oleh Teori Gelombang. Sehingga Einstein memunculkan kemabali Teori

Partikel Cahaya dari Newton.2

Sedangkan pengertian cahaya dalam Kamus Besar Bahasa

Indonesia adalah sinar atau terang dari sesuatu yang bersinar seperti

matahari, bulan, lampu dan lain-lain yang memungkinkan mata menagkap

bayangan benda-benda disekitarnya.3

Memperhatikan pengertian cahaya berdasarkan berbagai sumber di

atas maka dapat disimpulkan bahwa cahaya adalah sianr atau terang yang

merambat melalui partikel dan gelombang yang memungkinkan mata

menangkap bayangan benda-benda di sekitarnya dan termasuk gelombang

elektromagnetik yang kasat mata dengan panjang gelombang sekitar 380-

750 nm.

Adapun pengertian matahari menurut Drs. Marah Uli dalam buku

Geografi karangannya yaitu sebuah bintang yang tidak berbeda dengan

2 Marthen Knginan, “Fisika Untuk SMA kelas X semester 2,” Erlangga, hal 1073 Depdikbud., “Kamus Besar Bahasa Indonesia,” Th. 2002. Cet. Ke-3, Balai Pustaka

8

bintang lainnya yang berkilauan dimalam hari yang memancarkan sendiri

sumber energinya ke segala penjuru.4

Menurut buku Ensiklopedia Astronomi: Matahari dan Bintang,

matahari adalah bintang terdekat dan penyedia energi terbesar yang

dibutuhkan untuk mendukung kehidupan di bumi.5 Matahari kita adalah

bintang deret utama sebuah bola gas raksasa (diameter 1,4 juta km) yang

intinya cukup padat untuk mengsailkan reaksi termonuklir. Tekanan luar

dari ledakan nuklir yang terus berlangsung itu ditahan dengan kekuatan

yang sama besar oleh interaksi gravitasi antar atom yang bertindak

meruntuhkan bintang ke arah dalam, sehingga menghasilkan tekanan

kesetimbangan yang stabil.

Reaksi fusi nuklir yang ada di inti matahari membangkitkan energi

yang sangat besar yang harus dialirkan melalui seluruh bagian dalam

matahari sebelum energi itu lepas menuju atmosfer matahari sebagai

radiasi. Aliran energi yang berlangsung dengan cara berbeda-beda di

setiap wilayah yang berbeda dari matahari. Di atas inti tempat

berlangsungnya pembangkitan energi, aliran energi berlangsung secara

radiasi; foton-foton diserap dan dipancarkan kembali (secara acak) oleh

atom-atom dari plasma padat yang panas. Foton-foton bergerak secara

acak melintasi bagian dalam matahari (proses yang membutuhkan waktu

4 Drs. Marah Uli, ”Geografi SMA Kelas X,” Esis. Th. 2007. hal 355 Rohmat Haryadi, S Si, “Ensiklopedia Astronomi: Matahari dan Bintang,” Erlangga. Th. 2008. hal 29

9

ratusan bahkan ribuan tahun). Saat foton telah mencapai lebih dari 30%

bagian dalam matahari, di wilayah yang lebih padat namun lebih dingin.

Kemampuan atom untuk memancarkan kemabli foton-foton ke

sekelilingnya akan berkurang. Menyebabkan lapisan plasma menjadikan

kedap dan memperlambat aliran energi secara radiasi.

Di wilayah tersebut mekanisme paling efektif untuk aliran energi

adalah dengan cara konveksi (sehingga disebut zona konveksi). Di sini

plasma panas akan naik ke wilayah yang kerapatannya lebih kecil, untuk

kemudian mendingin dan turun kembali ke pusat zona konveksi

menciptakan gerakan turbulensi, gerakan seperti air mendidih, aliran

energi mengarah ke luar dan terjadi lebih cepat dari pada daerah radiasi.

Gb. 2 : lapisan-lapisan matahari tempat terjadinya reaksi fusi nuklir

10

Menurut Ir. Hanjaeli, matahari merupakan bintang terdekat dengan

bumi yang berbentuk bola gas yang terdiri dari 70% hidrogen, 25%

helium, dan 5% unsur-unsur logam lainnya. Gas hidrogen tersebut

mengalami reaksi nuklir dan mengasilkan gas helium serta energi yang

sangat besar 6. Energi yang dipancarkan matahari setiap detiknya disebut

Luminositas Matahari (L). Energi yang ada di permukaan matahari

sangatlah besar. Berasarkan perhitungan dari persamaan Stefan-Boltzman

dapat dihitung bahwa nilai L disekitar permukaan matahari yaitu 3.82 x

1033 erg/detik atau setara dengan 3.82 x 1026 Watt. Bumi yang berjarak

150.000.000 km dari matahari mendapat pasokan yang lebih lemah karena

pengaruh jauhnya jarak antara bumi-matahari. Sehingga konstanta

matahari pada bumi sebesar E=1.37 x 106 erg/detik/cm2.

Dari buku karangan Hakim L. Malasan dan Moh. Ma’mur

Tanudidjadja yang berjudul Jagad Raya mengungkapkan bahwa matahari

merupakan sebuah bintang yang menancarkan sendiri sumber energinya

dan memancarkannya ke segala arah 7. Kendati demikian, diantara

bintang-bintang matahari bukanlah bintang yang istimewa ukurannya.

Dalam klasifikasi bintang, matahari termasuk kelas deret utama bersama-

sama bintang normal lainnya yang membentuk 90% dari seluruh populasi

bintang dalam diagram Hertzprung-Russell.

6 “Dimensi: Geografi SMA Kelas X,” hal 527 Hakim L. Malasan dan Moh. Ma’mur T., “Jagad Raya,” Th. 1999. hal 7

11

Sedangkan menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia, matahari

adalah benda angkasa, titk pusatnya tata surya yang berupa bola berisi gas

yang mendatangkan terang dan panas pada bumi pada siang hari 8.

Matahari menjadi sumber energi terbesar bagi bumi sebagai anggota tata

surya dan memberikan energi untuk berfotosintesisnya pepohonan.

Dari setiap definisi yang telah dikemukakan di atas tentang

matahari, dapat kita simpulkan bahwa matahari adalah sebuah bintang

yang berupa bola gas yang menjadi pusat tata surya kita dan memancarkan

energinya yang berasal dari reaksi nuklir ke segala arah. Tanpa matahari

tidak akan ada siang dan bumai akan menjadi sangat dingin sehingga

makhluk hidup tidak dapat bertahan. Irama kehidupan dan skala waktu

yang dipergunakan oleh manusia umumnya mengacu kepada matahari.

Sumber-sumber energi seperti makanan, bahan bakar, minyak, tenaga

listrik dan lainnya secara tidak langsung berasal dari matahari juga.

Bahkan kita dapat memanfaatkan sinar matahari secara langsung untuk

membangkitkan energi listrik, yakni dengan memanfaatkan sel surya

(solar cell).

Jadi, cahaya matahari adalah gelombang elektromagnetik yang

bergerak merambat dari matahari dengan partikel-partikel cahayanya yang

disebut foton yang bergerak dengan sedemikian luar biasa cepat 300.000

8 Depdikbud, “Kamus Besar Bahasa Indonesia,” Th. 2002. Cet. Ke-3, Balai Pustaka

12

km per detik! Dengan demikian, cahaya matahari membutuhkan waktu

sekitar 500 detik untuk mencapai ke bumi.

Matahari bercahaya karena mengsahilkan energi yang sangat

dahsyat di dalam intinya. Energi ini dihasilkan oleh reaksi fusi nuklir,

yaitu reaksi penggabungan atom-atom. Matahari menembakkan hasil

reaksi ini ke segala arah dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Sebagian

radiasi elektromagnetik ini sampai ke permukaan bumi dalam bentuk

cahaya dan energi panas.

2. Pengertian Energi Alternatif

Energi merupakan kata serapan yang berasal dari bahasa Inggris,

“Energy” yang sinonimnya antara lain strength berarti “kekuatan” dan

capacity to do something berarti “kapasitas untuk melakukan sesuatu”.

Jadi apabila dilihat dari asal katanya, energi berarti kekuatan, tenaga atau

kemampuan. 9

Dalam buku yang berjudul Alam Sekeliling Kita menyebutkan

bahwa energi adalah kemampuan dalam melaksanakan suatu pekerjaan.

Energi adalah penunjang terhadap kekuatan, sehingga memungkinkan

kekuatan itu mempunyai daya kerja. Untuk memperolah kekuatan itu

harus ada sumbernya dan sumber kekuatan itu ialah tenaga atau energi.

9 “Oxford Learner’s Pocket Dictionary,” Oxford University Press. Th 1980. hal 124

13

Sedangkan menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia, energi

diartikan sebagai kemampuan untuk melakukan kerja atau daya yang

dapat digunakan untuk melakukan berbagai proses kegiatan. 10

Dari semua pendapat di atas, dapat disimpulkan bahwa energi

adalah kekuatan untuk melakukan suatu usaha atau pekerjaan. Albert

Einstein adalah manusia pertama yang mambentuk satu teori yang

mengukur segala sesuatu dengan istilah tenaga atau energi. Dengan kata

lain, ia bisa membuktikan bahwa benda dapat dirubah menjadi energi.

Penemuan ini telah membawa perubahan mutlak dalam pandangan

manusia terhadap dunia kebendaan. Benda menjadi nomor dua, sedangkan

energilah yang menjadi hal terpenting di dalam dunia kebendaan kita.

Adapun pengertian alternatif juga berasal dari bahasa Inggris yang

diserap ke dalam bahasa Indonesia yang mempunyai kata asal alternative

yang berarti “memilih di antara dua hal”, “jalan lain” atau “cadangan” 11

Sedangkan menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia, kata alternatif

mempunyai arti pilihan di antara beberapa kemungkinan.12

Alternatif juga biasa diartikan sebagai jalan pintas atau memilih

jalan lain di antara dua jalan. Beda lagi jika kata alternatif dipakai

dibidang medis, makna kata alternatif berubah menjadi pengobatan selain

menggunakan jasa dokter atau rumah sakit.

10 Depdikbud. ”Kamus Besar Bahasa Indonesia,” Th. 2002. Cet. Ke-3, Balai Pustaka. Hal 30211 John M. Echols dan Hassan Shadily, “an English-Indonesia Dictionary,” Gramedia. Hal 124.12 Depdikbud, “Kamus Besar Bahasa Indonesia,” Th. 2002. Cet. Ke-3, Balai Pustaka. Hal 33

14

Berdasarkan pengertian-pengertian di atas, kata alternatif dapat

disimpulkan menjadi suatu usaha untuk memilih di antara dua pilihan atau

lebih dengan pilihannya itu lebih condong ke jalan pintas, mudah dan

sederhana.

Jadi, energi alternatif adalah jalan lain untuk mencari sumber

kekuatan untuk melakukan suatu usaha. Energi alternatif juga dapat

diartikan mencari sumber energi lain yang telah ada pada saat ini (bahan

bakar minyak, fosil dan batu bara) dengan sumber energi lain yang ramah

lingkungan dan persediaannya tidak terbatas, yaitu tenaga matahari.

Dalam salah satu jurnal asal Inggris, Chyper mengatakan bahwa:

“Every 15 minutes, the sun produces enough power to supply

the earth for an entire year. The United Kingdom receives 60%

of the solar energy received by the equator. Each square meter

of the United Kingdom receives between 900-1200 kWh each

year. This energy is equivalent to the production of 1000

power station”13

Jadi perbandingannya, jika di negara Eropa seperti Inggris yang

beriklim dingin dengan suhu antara 5-13oC bisa mendapatkan cahaya

matahari sebesar 900-1200 kWh per meter tiap tahun. Bagaimana halnya

dengan Indonesia yang beriklim tropis dengan suhu berkisar antara 22-

34oC? Maka akan dipastikan bahwa Indonesia akan mendapatkan asupan

energi dari matahari yang lebih banyak. Ditambah lagi Indonesia sendiri

13 Chyper, “Time to Start Utilizing, Newsweek Daily.” Pg 14

15

di lewati oleh garis khatulistiwa yang mendapatkan cahaya matahari

secara tegak lurus dan langsung sehingga menerima panas matahari yang

lebih banyak dari pada negara lain mempunyai potensial yang sangat besar

untuk mengembangkan Pembangkit Listrik Tenaga Surya sebagai

alternatif batu bara dan diesel sebagai bahan bakar fosil yang bersih, tidak

berpolusi, aman dan persediaannya tidak terbatas. Berbagai instalasi sel

surya telah banyak dipakai, walaupun hanya pada golongan masyarakat

mampu.14

Sel surya ini dapat menghasilkan energi listrik dalam jumlah yang

tidak terbatas langsung diambil dari matahari, tanpa ada bagian yang

berputar dan tidak memerlukan bahan bakar. Sehingga sistem sel surya

sering dikatakan bersih dan ramah

lingkungan.                                                   

Bahan dan cara kerja yang aman terhadap lingkungan menjadikan

sel surya salah satu hasil teknologi pembangkit listrik yang efisien bagi

sumber energi alternatif masyarakat masa depan memberikan harapan

kepada kita untuk mengelola alam secara lebih alamiah.

Badingkan dengan sebuah generator listrik, ada bagian yang

berputar dan memerlukan bahan bakar untuk dapat menghasilkan listrik.

Suaranya bising. Selain itu gas buang yang dihasilkan dapat menimbulkan

14 Alam Sekeliling Kita

16

efek gas rumah kaca (green house gas) yang pengaruhnya dapat merusak

ekosistem planet bumi kita.

3. Cahaya Matahari Sebagai Sumber Energi

Sistem sel surya pada mulanya dikembangkan untuk penggunaan

pada satelit di ruang angkasa. Perawatan atau perbaikaan di ruang angkasa

itu pekerjaan sangat mahal, untuk tidak mengatakan tidak mungkin. Oleh

karena itu, semua satelit yang mengelilingi bumi mendapatkan energi

listriknya dari sistem sel surya. Sistem sel surya dapat bekerja dengan

andal untuk jangka waktu yang lama dan hampir tanpa memerlukan

perawatan. Sehingga sel surya dapat dikatakan mempunyai keandalan

yang tinggi.

Sistem sel surya menggunakan energi sinar matahari untuk

menghasilkan listrik, tanpa memerlukan bahan bakar. Tanpa ada bagian

yang berputar, maka sistem sel surya hanya memerlukan sedikit

perawatan. Sehingga sistem sel surya itu boleh dibilang cost effective dan

cocok untuk stasiun telekomunikasi daerah terpencil, pelampung navigasi

di tengah laut, alat pemantau permukaan air bendungan, atau untuk

penerangan rumah yang jauh dari jangkauan jaringan PLN. Biaya

operasional sistem sel surya jelas rendah.

Karena tidak memerlukan bahan bakar dan tidak ada bagian yang

berputar, sistem sel surya itu bersih dan tidak bersuara. Ramah lingkungan

ini sangat penting, mengingat pilihan untuk mendapatkan energi dan

17

penerangan itu biasanya dari generator diesel atau lampu minyak tanah.

Kalau kita semakin prihatin dengan gas rumah kaca (greenhouse gas) dan

pengaruhnya yang merusak terhadap ekosistem planet kita ini, maka

energi bersih yang diproleh dari sistem sel surya merupakan pilihan yang

tepat sekali.

Sistem sel surya dapat dibangun dalam berbagai ukuran atas dasar

kebutuhan energinya. Selanjutnya sistem sel surya itu dapat

dikembangkan dan ditingkatkan dengan mudah. Misalnya, bila kebutuhan

energi semakin meningkat, cukup dengan jalan menambahkan modul sel

surya, tentunya jika sumber dananya memungkinkan. Selain itu, sistem sel

surya gampang untuk dipindahkan bila dipandang perlu. Misalnya untuk

menggerakkan pompa untuk pengairan sawah.

Sistem sel surya dapat dirancang untuk penggunaan di ruang

angkasa, atau penggunaan di permukaan bumi. Sistem sel surya untuk di

permukaan bumi terdiri dari modul sel surya, kontroler pengisian (charge

controller), dan aki (batere) yang maintenance free. Modul sel surya yang

digunakan dapat diperoleh dalam berbagai ukuran dan kapasitas. Yang

sering digunakan adalah modul sel surya 20 watt atau 30 watt. Modul sel

surya menghasilkan daya yang proporsional dengan luas permukaan

modul yang terkena sinar matahari. Dalam penggunaan skala agak besar,

aki (batere) dalam sistem sel surya kadang-kadang dihubungkan dengan

18

sebuah inverter, untuk mengkonversi listrik searah (dc) menjadi listrik

bolak-balik (ac).

Sistem sel surya biasanya ditempatkan di dekat yang memerlukan

listrik. Sehingga untuk tempat-tempat yang terpencil hanya memerlukan

kabel yang lebih pendek dibandingkan jika menarik kabel dari jaringan

PLN misalnya. Selain itu, jelas sistem sel surya menjadi murah karena

tidak memerlukan transformator.15

Sebuah artikel berbahasa Inggris menyebutkan, selain

penggunaannya yang mudah dan non polusi, sumber energi yang berasal

dari cahaya matahari itu umumnya mahal bagi sebagian besar orang dan

juga harus mengonversikannya menjadi arus listrik. Karena mahalnya itu,

tak jarang orang Indonesia yang tidak memakai panel surya.16

4. Bahan Sel Surya

Saat ini, sel surya jenis silikon masih lebih dominan diproduksi

oleh berbagai kalangan. Namun karena faktor keterbatasan jumlah silikon,

alat produksi yang dibutuhkan besar dan mahal, dan loss silikon dalam

jumlah besar pada saat produksi yang belum bisa dihindari, menyebabkan

sel surya jenis silikon menjadi sangat mahal, padahal jumlah efisiensi

yang dihasilkan belumlah seberapa (kurang lebih 14-18%).

15 http://zkarnain.tripod.com/selsurya.html16 The Controversy of Harnessing Solar Energy

19

Pada tahun 1991, Prof. Graetzel mengumumkan hasil yang sempat

mengejutkan publik peneliti solar cells. Sel surya jenis DSC(Dye

sensitized solar cells) yang ditelitinya mampu mengahasilkan efisiensi

hingga 11%, sangat luar biasa. Sel jenis ini sering disebut juga sel

Graetzel. Tidak hanya itu, menurut teori matematis efisiensi maksimum

dari sel surya jenis DSC ini mampu mencapai 33%, harganya sangat

murah dan proses pembuatannya mudah. Inilah jenis sel surya harapan

yang akan mengganti sel surya jenis silikon. Oleh karena itu, penelitian

tentang sel surya jenis ini menjadi populer di semua negara maju.

Pada sel Graetzel, semikonduktor yang digunakan adalah

TiO2(Titanium dioxide) dan pewarnanya adalah jenis Ruthenium yang

mempunyai panjang gelombang serap cahaya yang luas.

5. Cara Kerja Sel Surya

Sel fotovoltaik surya adalah semi konduktor dimana radiasi surya

dari pita gelombang tertentu langsung diubah menjadi listrik. Material

yang paling sering digunakan adalah silikon kristal. Apabila lapisan tipis

silikon jenis-p dan jenis-n digunakan, akan diperoleh sel sambungan p-n

(p-n junction cell), dengan muatan listrik statik pada sambungan tersebut.

Silikon jenis-p kaya muatan positif; silikon jenis-n kelebihan elektron.17

17 TED J. Jansen, 1995. “Teknologi Rekayasa Surya” Prentice-Hall, Inc, Englewood Cliffs, New Jersey.

20

Sel surya langsung dapat mengonversi sinar matahari menjadi arus

listrik searah (dc). Bila sel surya itu dikenakan pada sinar matahari, maka

timbul yang dinamakan elektron dan hole. Elektron-elektron dan hole-hole

yang timbul di sekitar pn junction bergerak berturut-turut ke arah lapisan -

n dan ke arah lapisan -p. Sehingga pada saat elektron-elektron dan hole-

hole itu melintasi p-n junction, timbul beda potensial pada kedua ujung sel

surya. Jika pada kedua ujung sel surya diberi beban maka timbul arus

listrik yang mengalir melalui beban.

Sebuah sel surya tunggal dapat menghasilkan listrik searah 3 volt

dan 3 ampere. Sel-sel ini dapat dibuat dalam berbagai ukuran yang

diinginkan dengan jalan menghubungkan seri sel-sel yang sama untuk

membentuk modul sel surya dengan keluaran yang diperlukan. Sel-sel itu

dikemas sedemikian rupa dengan bahan khusus sehingga modul dapat

bertahan dalam kondisi yang terjelek tanpa kehilangan efisiensinya.

B. Kerangka Berpikir

Peneliti akan melakukan penelitian tentang pemanfaatan cahaya

matahari sebagai sumber energi alternatif pada tahun 2009.

21

C. Hipotesis

Menurut penulis, Pembangkit Listrik Tenaga Matahari dapat

berkembang secara baik di Indonesia karena potensi besarnya pasokan cahaya

yang masuk sangat besar dan belum maksimal digunakan.