Mekanisme Generator Termoelektrik Dengan Selisih Temperatur Hanya 5 Derajat Celcius

Artikel ini merupakam penjelasan lebih lanjut dari Memproduksi Listrik Menggunakan Generator Termoelektrik Dengan Selisih Temperatur Hanya 5 Derajat Celcius untuk Aplikasi IoT.

Era Internet of Things (IoT) membuat benda-benda di sekitar kita seperti speaker dan jam tangan menjadi “smart device”. Hal ini dikarenakan benda-benda tersebut terhubung satu sama lain dengan internet. Namun, benda-benda tersebut akan membutuhkan pasokan listrik untuk mengisi ulang baterai. Masyarakat berbasis IoT memerlukan pembangkit listrik portable dan wearable. Generator termoelektrik dapat menjadi solusi untuk mengisi ulang baterai pada benda-benda di atas.

Baca juga : Mengenal Internet Of Things (IoT) yang Akan Diimplementasikan Pada Hampir Semua Aspek Kehidupan

Generator termoelektrik merupakan teknologi pembangkit listrik yang bekerja menggunakan efek Seebeck dengan mengubah perbedaan temperatur pada material semikonduktor menjadi energi listrik^[1]. Komponen utama dalam generator termoelektrik adalah material semikonduktor yang terdiri dari p-type dan n-type. Material semikonduktor yang kekurangan elektron adalah p-type sedangkan material semikonduktor yang kelebihan elektron adalah n-type. Komponen lainnya adalah material isolator listrik seperti keramik (substrat silikon), heat sink dan konduktor listrik.

Gambar 1. Prinsip kerja generator termoelektrik^[1]

Ada tiga material semikonduktor yang telah diproduksi untuk generator termoelektrik diantaranya bismut telluride(Bi₂Te₃), timbal telluride (PbTe) dan silikon germanium (SiGe). Bismut telluride beroperasi pada rentang temperatur 300 – 450 K, timbal telluride beroperasi pada rentang temperatur 300 – 800 K dan silikon germanium beroperasi pada rentang temperatur 400 – 1300 K^[2]. Namun, timbal dan telluride merupakan senyawa beracun sedangkan bismut dan germanium merupakan material yang ketersedian di alamnya rendah dan harganya mahal.

Pada bulan Juni 2018, para peneliti dari Waseda University, Osaka University dan Shizuoka University membuat desain generator termoelektrik baru tanpa adanya rongga (cavity) dan menggunakan material silikon nanowires (SiNWs). SiNWs merupakan material nano silika berbentuk kawat yang dijadikan sebagai material semikonduktor n-type dan p-type^[3]. Komponen tambahan lainnya adalah NiSi dan aluminium nitride (AIN) yang memiliki konduktivitas panas yang tinggi. Perbedaan antara generator termoelektrik konvensional dan terbaru ditunjukkan oleh Gambar 2.

Gambar 2. Generator termoelektrik konvensional (kiri) dan terbaru (kanan)^[3]

Umumnya, generator termoelektrik membutuhkan perbedaan temperatur yang tinggi untuk menghasilkan tegangan, arus dan daya yang tinggi. Terobosan baru yang dilakukan para peneliti tersebut menunjukkan bahwa generator termoelektrik mereka mampu menghasilkan daya sebesar 12 µW/cm² hanya dengan selisih temperatur 5^oC. Daya tersebut cukup untuk menggerakkan sensor^[3]. Professor Takanobu Watanabe dari Waseda University yang merupakan ketua dalam penelitian ini menjelaskan bahwa daya yang dihasilkan 10 kali lebih besar daripada generator termoelektrik konvensional. Hal itu dikarenakan substrat silikon lebih ditipiskan dari 750 nm menjadi 50 nm. Selain itu, SiNWs juga dipendekkan dari 100 nm menjadi 0,25 nm^[3].

Gambar 3. Komponen penyusun generator termoelektrik terbaru^[4]

Professor Takanobu Watanabe menambahkan bahwa generator termoelektrik tersebut dapat digunakan hanya dengan menggunakan selisih panas antara tubuh manusia dengan lingkungan. Suatu saat, kita bisa mengisi ulang smartwacth ketika kita jogging di pagi hari^[3]. Selain itu, Professor Takanobu Watanabe juga berharap bahwa generator termoelektrik ini dapat berperan aktif dalam masyarakat berbasis IoT. Karena pada generator termoelektrik terbaru ini tidak terdapat cavity, maka biaya produksinya dapat berkurang dan akan meningkatkan kekuatan mekaniknya. Penelitian ini dipresentasikan di simposium VLSI Technology and Circuits pada 21 Juni 2018 dengan judul ”10μW/cm2-Class High Power Density Silicon Thermoelectric Energy Harvester Compatible with CMOS-VLSI Technology”.

Seiko Thermic dan Citizen pernah memproduksi jam tangan berbasis generator termoelektrik. Jam tangan Seiko Thermic mengubah selisih temperatur tubuh dengan lingkungan menjadi energi listrik. Dalam kondisi normal, jam tangan Seiko mampu menghasilkan daya sebesar 22 µW/cm^2[5]. Namun, efisiensi dari energi panas ke listrik yang dihasilkan masih sebesar 0,1% sehingga produksi jam tangannya pun tidak berlangsung lama^[5]. Selain itu, material yang digunakan juga bukan SiNWs sehingga harga jualnya mahal. Maka, jika teknologi generator termoelektrik dengan material semikonduktor SiNWs digunakan oleh Seiko di masa mendatang, apakah jam tangan Seiko Thermic akan kembali diproduksi untuk mewujudkan masyarakat berbasis IoT?

Gambar 4. Desain jam tangan Seiko Thermic yang menggunakan teknologi generator termoelektrik^[5]

Referensi

[1] Pennelli, G. 2014. Review of Nanostructured Devices for Thermoelectric Applications. Beilstein Journal of Nanotechnology, 5, 1268-1284

[2] Bitschi, A. 2009. Modelling of Thermoelectric Devices for Electric Power Generation. ETH Zurich

[3] Waseda University. 2018. Novel, High Power Thermoelectric Generator to Utilize Thermal Difference of Only 5^oC in Enviromental and Body Heats. Diakses dari : https://www.waseda.jp/top/en-news/60151 pada 18 Juli 2018

[4] Zhang, H., Xu, T., Hashimoto, S dan Watanabe, T. 2018. The Possibility of mW-Class-On-Chip Power Generation Using Ultrasmall SI Nanowire-Based Thermoelectric Generator. IEEE Transactions, 65, 1-8

[5] Snyder, G.J. 2008. Small Thermoelectric Generators. The Electrochemical Society Interface