Mengubah Energi Panas Menjadi Listrik

Dengan penambahan sensor dan alat komunikasi yang disempurnakan, menyediakan daya portabel yang ringan menjadi lebih menantang. Para peneliti kini telah mendemonstrasikan pendekatan baru untuk mengubah energi panas menjadi listrik yang dapat memberikan daya yang ringkas dan efisien bagi tentara di medan perang masa depan.

Benda panas memancarkan cahaya dalam bentuk foton ke sekelilingnya. Foton yang dipancarkan dapat ditangkap oleh sel fotovoltaik dan diubah menjadi energi listrik yang berguna. Pendekatan konversi energi ini disebut termofotovoltaik medan jauh (FF-TPVs) dan telah dikembangkan selama bertahun-tahun; namun, ia memiliki kepadatan daya yang rendah, dan oleh karena itu, memerlukan suhu pengoperasian emitor yang tinggi.

Dalam pendekatan baru, pemisahan antara emitor dan sel fotovoltaik dikurangi menjadi skala nano, memungkinkan keluaran daya yang jauh lebih besar daripada yang mungkin dilakukan dengan FF-TPV untuk suhu emitor yang sama. Ini memungkinkan penangkapan energi yang jika tidak terperangkap di medan dekat emitor — disebut near-field thermo-photovoltaics (NF-TPV) — dan menggunakan sel fotovoltaik dan desain emitor yang dibuat khusus untuk kondisi operasi dekat-bidang.

Teknik ini menunjukkan densitas daya hampir urutan besarnya lebih tinggi dari itu untuk sistem TPV dekat-lapangan terbaik yang dilaporkan, sementara juga beroperasi pada efisiensi enam kali lebih tinggi, membuka jalan bagi aplikasi TPV dekat-lapangan di masa depan. Di masa depan, TPV jarak dekat dapat berfungsi sebagai sumber daya yang lebih ringkas dan berefisiensi lebih tinggi bagi tentara, karena perangkat ini dapat berfungsi pada suhu pengoperasian yang lebih rendah daripada TPV konvensional.

Efisiensi perangkat TPV dicirikan oleh seberapa banyak transfer energi total antara emitor dan sel fotovoltaik digunakan untuk merangsang pasangan lubang elektron dalam sel fotovoltaik. Sementara peningkatan suhu emitor meningkatkan jumlah foton di atas celah pita sel, jumlah foton celah pita kecil yang dapat memanaskan sel fotovoltaik perlu diminimalkan.

Ini dicapai dengan membuat sel TPV film tipis dengan permukaan ultra-datar dan dengan reflektor belakang logam. Foton di atas celah pita sel diserap secara efisien dalam semikonduktor setebal mikron, sedangkan foton di bawah celah pita dipantulkan kembali ke emitor silikon dan didaur ulang.

Para peneliti menumbuhkan sel fotovoltaik indium gallium arsenide film tipis pada substrat semikonduktor tebal dan kemudian mengupas daerah aktif semikonduktor yang sangat tipis dari sel dan memindahkannya ke substrat silikon. Para peneliti juga melakukan perhitungan teoritis untuk memperkirakan kinerja sel fotovoltaik pada setiap suhu dan ukuran celah dan menunjukkan kesepakatan yang baik antara eksperimen dan prediksi komputasi.