Terobosan Energi Bersih Mengubah Limbah Panas Menjadi Listrik yang Dapat Digunakan
Para peneliti telah mendemonstrasikan metode baru untuk mengubah panas menjadi listrik menggunakan disilisida tungsten, yang menunjukkan potensi perangkat termoelektrik yang lebih efisien yang dapat merevolusi efisiensi energi dalam berbagai aplikasi.
Bahan termoelektrik, yang mengubah panas menjadi listrik, memainkan peran penting dalam menangkap limbah panas dan mengubahnya menjadi energi yang dapat digunakan. Bahan-bahan ini khususnya bermanfaat dalam industri dan kendaraan di mana mesin menghasilkan limbah panas dalam jumlah besar, sehingga meningkatkan efisiensi energi dengan menghasilkan listrik tambahan. Teknologi ini juga menjanjikan untuk aplikasi daya portabel, seperti sensor jarak jauh dan satelit, di mana sumber daya tradisional mungkin tidak dapat digunakan.
Menjelajahi Perangkat Termoelektrik Transversal
Perangkat termoelektrik tradisional, yang dikenal sebagai perangkat termoelektrik paralel, menghasilkan tegangan searah dengan aliran panas. Perangkat ini mengandalkan dua jenis material paralel, tipe-p dan tipe-n, yang menghasilkan tegangan dalam arah berlawanan. Ketika dihubungkan secara seri, mereka menghasilkan tegangan yang lebih kuat, namun konfigurasi ini meningkatkan jumlah titik kontak, menyebabkan hambatan listrik dan kehilangan energi yang lebih tinggi.
Sebaliknya, perangkat termoelektrik melintang menghasilkan listrik tegak lurus terhadap aliran panas, sehingga menawarkan keuntungan tersendiri. Dengan titik kontak yang lebih sedikit, perangkat ini memungkinkan konversi energi yang lebih efisien. Kelas material yang menjanjikan untuk perangkat ini mencakup material dengan “polaritas konduksi yang bergantung pada sumbu” (ADCP), yang juga dikenal sebagai konduktor goniopolar. Bahan-bahan ini menghantarkan muatan positif (tipe-p) ke satu arah dan muatan negatif (tipe-n) ke arah lain. Namun, terlepas dari potensinya, efek termoelektrik transversal (TTE) masih kurang dieksplorasi—hingga saat ini.
Terobosan dalam Konversi Termoelektrik Transversal
Sehubungan dengan hal tersebut, tim peneliti dari Jepang yang dipimpin oleh Associate Professor Ryuji Okazaki dari Departemen Fisika dan Astronomi di Tokyo University of Science (TUS), termasuk Mr. Shoya Ohsumi dari TUS dan Dr. Yoshiki J. Sato dari Universitas Saitama, mencapai TTE dalam disilisida tungsten semimetal (WSi2). Meskipun penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa WSi2 menunjukkan ADCP, asal usulnya dan TTE yang diantisipasi belum terdeteksi dalam percobaan.
“Konversi termoelektrik transversal merupakan fenomena yang mendapat perhatian sebagai teknologi inti baru untuk sensor yang mampu mengukur suhu dan aliran panas. Namun, bahan-bahan tersebut hanya tersedia dalam jumlah terbatas, dan tidak ada pedoman desain yang ditetapkan. Ini adalah demonstrasi langsung pertama dari konversi termoelektrik transversal di WSi2,” jelas Prof Okazaki.
Studi mereka dipublikasikan pada 13 November 2024 di jurnal Energi PRX.
Wawasan Dari Studi Disilisida Tungsten
Para peneliti menganalisis sifat-sifat WSi2 melalui kombinasi eksperimen fisik dan simulasi komputer. Mereka mengukur thermopower, resistivitas listrik, dan konduktivitas termal WSi2 kristal tunggal sepanjang dua sumbu kristalografinya pada suhu rendah. Mereka menemukan bahwa ADCP WSi2 berasal dari struktur elektroniknya yang unik, menampilkan permukaan Fermi berdimensi campuran. Struktur ini mengungkapkan bahwa elektron dan lubang (pembawa muatan positif) ada dalam dimensi berbeda.
Permukaan Fermi adalah permukaan geometris teoretis yang memisahkan keadaan elektronik pembawa muatan yang terisi dan tidak terisi di dalam material padat. Di WSi2elektron membentuk permukaan Fermi kuasi satu dimensi dan lubang membentuk permukaan Fermi kuasi dua dimensi. Permukaan Fermi yang unik ini menciptakan konduktivitas arah spesifik, memungkinkan efek TTE.
Para peneliti juga mengamati variasi dalam cara pembawa muatan ini menghantarkan listrik dari sampel ke sampel, konsisten dengan penelitian sebelumnya. Dengan menggunakan simulasi berdasarkan prinsip pertama, para peneliti menunjukkan bahwa variasi ini disebabkan oleh perbedaan dalam cara penyebaran pembawa muatan karena ketidaksempurnaan dalam struktur kisi kristal WSi.2. Wawasan ini adalah kunci untuk menyempurnakan material dan mengembangkan perangkat termoelektrik yang andal. Selanjutnya, mereka mendemonstrasikan pembangkitan TTE langsung di WSi2 dengan menerapkan perbedaan suhu sepanjang sudut tertentu relatif terhadap kedua sumbu kristalografi, menghasilkan tegangan tegak lurus terhadap perbedaan suhu.
“Hasil kami menunjukkan bahwa WSi2 adalah kandidat yang menjanjikan untuk perangkat berbasis TTE. Kami berharap penelitian ini akan mengarah pada pengembangan sensor baru dan penemuan material termoelektrik melintang baru,” kata Prof. Okazaki.
Dengan menjelaskan mekanisme pembangkitan TTE di WSi2penelitian ini mengambil langkah lebih jauh menuju material canggih yang dapat mengubah panas menjadi listrik dengan lebih efisien, sehingga mengarah pada masa depan yang lebih ramah lingkungan.
Referensi: “Konversi Termoelektrik Transversal pada WSi Semimetal Dimensi Campuran2” oleh Shoya Ohsumi, Yoshiki J. Sato dan Ryuji Okazaki, 13 November 2024, Energi PRX.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.3.043007
