Ilmuwan Kembangkan Generator Termoelektrik Fleksibel Yang Dapat Diproduksi Massal

Era masyarakat Internet of Things (IoT) membutuhkan suplai energi yang kontinyu untuk menjalankan perangkat-perangkat IoT seperti sensor, otomotif dan perangkat biomedik. Berbagai macam jenis teknologi penghasil listrik terus dikembangkan baik untuk proses charging baterai pada berbagai perangkat IoT atau langsung digunakan pada perangkat IoT. Salah satu sumber energi yang sangat potensial adalah energi termal yang dapat dikonversi secara langsung menjadi energi listrik menggunakan generator termoelektrik. Generator termoelektrik merupakan teknologi pembangkit listrik yang bekerja menggunakan efek Seebeck dengan mengubah gradien temperatur pada material semikonduktor menjadi energi listrik secara langsung^[1].

Termoelektrik Fleksibel

Pada bulan Desember 2018, para peneliti dari Osaka University, Technical University of Denmark dan E-ThermoGentek Co., Ltd membuat terobosan baru dengan membuat generator termoelektrik fleksibel yang dapat diproduksi massal. Gradien temperatur yang dibutuhkan sebesar <150^oC (150 K) yang nilainya relatif lebih rendah dengan termoelektrik konvensional^[2]. Teknologi termoelektrik sebelumnya menggunakan substrat yang sangat kaku sehingga tidak maksimal dalam penyerapan sumber panas.

Substrat yang digunakan pada termoelektrik fleksibel tersebut adalah lapisan polymide dan material semikonduktor yang terdiri dari p-type dan n-type yang digunakan adalah Bi₂Te₃. Jumlah elemen pada termoelektrik fleksibel adalah 500 (250 pasang n dan p-type). Dimensi dari termoelektrik fleksibel adalah 50 x 50 mm^[2]. Gambar 1 menunjukkan perbedaan termoelektrik konvensional dan fleksibel serta proses pembuatan termoelektrik fleksibel menggunakan metode packaging.

Gambar 1. (a) termoelektrik konvensional (b) termoelektrik fleksibel (c) tahapan proses pembuatan termoelektrik fleksibel ^[2]

Generator termoelektrik fleksibel diuji dengan variasi gradien temperatur (50, 85 dan 105 K). Open circuit voltage (OCV) yang dihasilkan dari masing-masing gradien temperatur secara berurutan adalah 1400, 3800 dan 5000 mV. Sedangkan daya maksimum yang dihasilkan adalah 600, 1500 dan 2000 mW. Perhitungan rapat daya dari luas termolektrik aktual sebesar 158 mW/cm² dan efisiensi konversi maksimum sebesar 1,84% pada gradien temperatur 105 K^[2].

Secara prinsip, semua kurva I-V pada berbagai gradien temperatur harus linier dan paralel satu sama lain. Jika terdapat kurva I-V yang tidak linier, para peneliti memprediksi adanya heat loss baik pada sisi panas maupun dingin yang menyebabkan tegangannya lebih rendah. Kurva I-V-P dan skema pengujian termoelektrik fleksibel ditunjukkan oleh Gambar 2.

Gambar 2. (a) Kurva I-V-P pada berbagai gradien temperatur (b) skema pengujian termoelektrik fleksibel ^[2]

Untuk menguji kestabilan mekanik dan kontak listrik, termoelektrik fleksibel dibengkokan menggunakan pipa dengan variasi jari-jari pipa (150, 200 dan 250 mm). Setelah 1000 siklus pembengkokan, resistansi dari termoelektrik generator tidak mengalami perubahan^[2]. Ketahanan ikatan antara elemen p dan n-type dengan substrat fleksibel diuji dengan kekuatan geser selama 1000 siklus pembengkokan dengan jari-jari pipa 150 dan 200 mm. Nilai awal kekuatan geser adalah 8 MPa dan nilai rata-rata selama siklus pembengkokan menunjukkan nilai 8 – 10 MPa^[2]. Grafik hambatan listrik relatif dan kekuatan geser termoelektrik fleksibel ditunjukkan oleh Gambar 3.

Gambar 3. (a) hambatan listrik relatif (b) kekuatan geser termoelektrik fleksibel selama proses pembengkokan hingga 1000 siklus^[2]

Termoelektrik fleksibel telah berhasil dibuat dengan menghasilkan rapat daya sebesar 158 mW/cm² dan ketahanan yang sangat baik ketika dibengkokkan. Para peneliti mengatakan bahwa termoelektrik fleksibel tersebut sangat menjanjikan untuk beberapa aplikasi tidak hanya pembangkit listrik dari panas pembuangan tetapi juga untuk perangkat-perangkat elektronik implantable, wearable dan portable.

Tohru Sugahara, ketua peneliti dalam penelitian ini, mengatakan bahwa termoelektrik fleksibel yang mereka buat dapat digunakan untuk mengkonversi panas pembuangan dengan gradien temperatur 150^oC atau kurang menjadi listrik^[3]. Selain itu, teknik pembuatan yang mereka gunakan dapat mengurangi biaya pembuatan modul termoelektrik sehingga produksi massal dapat dilakukan.

Referensi

[1] Yusupandi, F. 2018. Mekanisme Generator Termoelektrik Dengan Selisih Temperatur Hanya 5 Derajat Celcius. Diakses dari : https://warstek.com/2018/07/22/termoelektrik/ pada 26 Januari 2019

[2] Sugahara, T., Ekubaru, Y., Nong, N.V., Kagami, N., Ohata, K., Hung, L.T., Okajima, M., Nambu, S., Suganuma, K. 2018. Fabrication with Semiconductor Packaging Technologies and Characterization of A Large-Scale Flexible Thermoelectric Module. Advanced Material Technologies, 1800556, 1-5.

[3] Osaka University. 2018. Flexible Thermoelectric Generator Module : A Silver Bullet To Fix Waste Energy Issues. Diakses dari https://phys.org/news/2018-12-flexible-thermoelectric-module-silver-bullet.html pada 26 januari 2018.