Sifat Cahaya

Spektrum Elektromagnetik.

Cahaya yang kita lihat sehari-hari hanyalah sebagian kecil dari seluruh energi yang dipancarkan oleh matahari yang sampai di bumi. Cahaya matahari adalah sejenis "gelombang elektromagnetik " dan cahaya tampak yang dapat kita lihat hanyalah bagian kecil dari spektrum electromagnetik yang dapat kita lihat di kanan.

Spektrum elektromagnetik mendeskripsikan cahaya sebagai sebuah gelombang yang memiliki suatu panjang gelombang tertentu. Penjelasan bahwa cahaya adalah gelombang pertama kali diterima di awal 1800an saat eksperimen yang dilakukan oleh Thomas Young, François Arago, and Augustin Jean Fresnelmenunjukkan efek interferensi pada sinar cahaya, yang mengindikasikan bahwa cahaya terbentuk dari gelombang. Di akhir 1860an, cahaya dipandang sebagai bagian dari spektrum elektromagnetik. Namun, di akhir 1800an, mulai tampak sebuah masalah akan pandangan bahwa cahaya terbentuk dari gelombang saat beberapa eksperimen untuk mengukur spektrum gelombang dari benda yang dipanaskan tidak dapat dijelaskan dengan persamaan-persamaan yang mengasumsikan cahaya sebagai gelombang. Masalah ini terpecahkan melalui penelitian Planck1 di tahun 1900, dan Einstein 2 di tahun 1905. Planck mengajukan bahwa energi total pada cahaya tersusun dari elemen energi yang tidak dapat dipisahkan, dengan kata lain sebuah kuanta energi. Saat mempelajari efek fotoelektrik (lepasnya electron dari beberapa logam dan semikonduktor saat dikenai cahaya), Einstein berhasil menentukan nilai elemen-elemen energi kuantum tersebut. Untuk penelitian mereka di bidang ini Planck dan Einstein masing-masing mendapatkan hadiah Nobel Fisika di tahun 1918 dan 1921, dan berdasarkan penelitian-penelitian ini, cahaya dapat dianggap tersusun dari partikel-partikel energi yang disebut foton.

Saat ini, mekanika kuantum menjelaskan pengamatan sifat gelombang cahaya maupun sifat partikel cahaya dengan baik. Dalam mekanika kuantum, sebuah foton, sebagaimana partikel mekanika kuantum lainnya seperti elektron, proton, dan lainnya, paling tepat direpresentasikan sebagai sebuah "paket gelombang"(Inggris: wave-packet). Paket gelombang didefinisikan sebagai sebuah kumpulan gelombang yang berinteraksi dengan sedemikian rupa sehingga paket gelombang tersebut tampak terlokalisir secara spasial (mirip seperti gelombang kotak yang merupakan hasil dari penjumlahan tak hingga gelombang sinusoidal), atau tampak sebagai gelombang saja. Apabila paket gelombang terlokalisir secara spasial, ia akan bersifat layaknya sebuah partikel. Karena itu, tergantung situasinya, sebuah foton dapat tampak baik sebagai gelombang maupun sebagai partikel. Konsep ini disebut "dualitas gelombang-partikel".

Sebuah penjelasan fisik yang lengkap dari sifat cahaya membutuhkan analisis mekanika kuantum dari cahaya, karena cahaya adalah sejenis partikel mekanika kuantum yang disebut foton. Untuk aplikasi fotovoltaik, detail setingkat ini jarang diperlukan. Oleh karena itu, hanya beberapa kalimat tentang sifat kuantum cahaya yang dicantumkan disini. Namun, dalam beberapa situasi (yang untungnya jarang ada di sistem PV), cahaya dapat berperilaku dalam cara yang seakan melawan akal sehat, berdasarkan penjelasan yang diberikan disini. Kata "akal sehat" disini didasarkan pada observasi kita dan tidak dapat diandalkan untuk mengamati efek mekanika kuantum karena efek tersebut terjadi dalam kondisi di luar batas kemampuan pengamatan manusia. Untuk informasi lebih lanjut tentang pengertian modern dari cahaya, silahkan mengacu ke 3. Sebuah paket gelombang, atau foton sebagaimana digambarkan di PVCDROM, dapat dilihat di bawah.

Ada beberapa karakteristik penting pada energi matahari yang merupakan kunci untuk menentukan bagaimana cahaya tersebut berinteraksi dengan sebuah konverter fotovoltaik atau benda lainnya. Karakteristik penting dari energi matahari adalah:

• Konten spektral dari cahaya;
• Rapat daya pancaran matahari;
• Sudut datang saat radiasi matahari mengenai modul fotovoltaik; dan
• Energi radiasi dari matahari sepanjang tahun atau sepanjang hari untuk sebuah permukaan tertentu.

Di akhir bab ini seharusnya Anda akan familiar dengan empat konsep diatas.

• 1. M. Planck, “Distribution of energy in the normal spectrum”, Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, vol. 2, pp. 237-245, 1900.
• 2. A. Einstein, “Generation and transformation of light”, Annalen der Physik, vol. 17, 1905.
• 3. R. P. Feynman, QED : The Strange Theory of Light and Matter. 1985.