BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Semikonduktor adalah salah satu material yang paling banyak dikaji dewasa ini karena banyaknya pemanfaatan yang bisa dilakukan dengan material ini mulai dari komponen elektronik, katalis, sampai sumber energi. Semikonduktor seringkali terbuat dari material anorganik seperti silikon, germanium, titania, dan berbagai jenis bahan lain. Kelemahan dari semikonduktor jenis ini adalah tidak adanya cara untuk mengembalikan material ini ke alam karena material ini merupakan senyawa anorganik sehingga tidak bisa diuraikan oleh mikroorganisme biasa. Keadaan ini teratasi dengan berkembangnya trend pada semikonduktor yang berasal dari senyawa organik. Beberapa senyawa organik yang umum digunakan sebagai material semikonduktor berasal dari golongan tetrapirol dan turunannya seperti porfirin dan corrole. (a) (b) Gambar I.1 Struktur (a) porfirin dan (b) corrole (Jaung, 2005) Porfirin yang merupakan senyawa organik dilihat sebagai solusi untuk energi lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan senyawa anorganik karena secara umum mikroorganisme dapat menguraikan senyawa organik. Pemanfaatan porfirin sebagai material semikonduktor telah diteliti oleh 1
2 beberapa peneliti yang salah satunya adalah Amao dkk. (2004) dengan menggunakan senyawa Chlorine-e 6 sebagai zat warnanya. (a) (b) Gambar I.2 Struktur (a) Chlorine-e 6 dan (b) klorofil a (Amao dkk., 2004) Dari penelitian ini diketahui adanya serapan pada daerah sinar tampak yang dibuktikan dengan hasil spektroskopi yaitu munculnya serapan pada panjang gelombang 400, 511 dan 661 nm. Adanya serapan pada panjang gelombang tersebut membuktikan bahwa senyawa Chlorine-e 6 telah berhasil mensensitasi sel surya tersebut. Zhang dkk. (2013) juga telah melakukan penelitian terhadap senyawa porfirin tersubstitusi sebagai sensitizer untuk dye-sensitized solar cells (DSSC). Dari penelitian yang dilakukan maka diusulkan dua senyawa sebagai sensitizer dengan alasan metode sintesis yang relatif mudah serta faktor konversi energi yang mencapai 5,33% untuk porfirin tersubstitusi butilfenil-amino (BUTP). Selain porfirin tersubstitusi, kompleks porfirin dengan ion logam juga telah terbukti dapat digunakan sebagai semikonduktor. Horvath dkk. (2006) membuktikan bahwa kompleks porfirin dengan ion Hg(II) dan Ta(II) memiliki aktivitas optik sebagai zat warna (dye). Horvath dkk. (2012) juga membuktikan bahwa kompleks porfirin dengan ion-ion lain, yaitu Au(III), Ag(I), Cd(II) dan Bi(III) juga memiliki sifat tersebut yang dipengaruhi oleh distorsi pada strukturnya. Tidak hanya secara eksperimental, penelitian kompleks porfirin untuk berbagai aplikasi seperti sensitizer dalam DSSC juga dilakukan secara komputasi. Metode komputasi dipilih untuk mempelajari kompleks porfirin karena untuk mempelajari sifat kompleks logam porfirin dengan beberapa logam secara
3 eksperimen akan memakan waktu dan biaya yang cukup lama. Dengan pemodelan molekul secara komputasi dapat dilakukan perhitungan untuk memprediksi sifat senyawa yang dimodelkan tersebut. Penelitian-penelitian tentang kompleks porfirin secara umum hanya meneliti dua jenis sifat porfirin yaitu pengaruh ion pusat dan pengaruh gugus substituen. Shalabi dkk. (2014) telah meneliti kompleks Hg(II), Cd(II) dan Zn(II)- porfirin tersubstitusi malonat secara asimetris. Dalam penelitiannya mereka melaporkan bahwa ketiganya memiliki potensi yang tinggi sebagai senyawa semikonduktor. Ini dibuktikan dengan perbedaan tingkat energi antara HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) dengan LUMO (Lowest Unnoccupied Molecular Orbitals) pada senyawa tersebut. Gambar I.3 HOMO dan LUMO kompleks logam dengan porfirin (Shalabi, 2014) Barbee (2011) telah meneliti tentang efek substituen pada kompleks Ni(II)-porfirin dan melaporkan pengaruhnya terhadap struktur molekul dan elektroniknya. Penelitian Barbee kemudian diperluas oleh Tai dkk. (2013) tidak
4 hanya untuk substituen, tapi juga gugus samping pada substituen aril untuk kompleks Zn(II) porfirin. Meskipun telah dilaporkan oleh Shalabi dkk. (2014) bahwa kompleks Cd(II)-porfirin tersubstitusi (CdP-R) akan memiliki performa yang lebih baik sebagai semikonduktor jika dibandingkan dengan Zn(II)-porfirin tersubstitusi, namun secara khusus belum pernah dipelajari pengaruh substituen terhadap sifat semikonduktor kompleks Cd(II)-porfirin. Oleh karena itu penelitian ini dirancang untuk mempelajari pengaruh substituen terhadap sifat semikonduktor kompleks Cd(II)-porfirin tersubstitusi dengan tiga parameter utama yaitu Eg, rapat keadaan (density of states, DOS), dan spektra serapan elektronik. I.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang, maka dibuat rumusan masalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh substituen terhadap nilai Eg pada kompleks Cd(II)- porfirin tersubstitusi? 2. Bagaimana pengaruh substituen terhadap nilai kelimpahan DOS pada komplek Cd(II)-porfirin tersubstitusi? 3. Bagaimana pengaruh substituen terhadap pergeseran nilai puncak spektra serapan elektronik pada kompleks Cd(II)-porfirin tersubstitusi? I.3 Tujuan Penelitian Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mendesain senyawa kompleks Cd(II)-porfirin tersubstitusi sebagai semikonduktor. Untuk mencapai hal tersebut, langkah yang akan dilakukan adalah: 1. Mempelajari pengaruh substituen terhadap nilai Eg pada kompleks Cd(II)- porfirin. 2. Mempelajari pengaruh substituen terhadap nilai kelimpahan DOS pada kompleks Cd(II)-porfirin tersubstitusi.
5 3. Mempelajari pengaruh substituen terhadap pergeseran nilai puncak spektra serapan elektronik pada kompleks Cd(II)-porfirin tersubstitusi. I.4 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat digunakan dalam tahap perancangan pada semikonduktor Cd(II)-porfirin untuk mengurangi penggunaan metode cobacoba (trial and error) terutama untuk aplikasi pada DSSC, sensitizer dan elektronika.