Memanfaatkan Panas: Teknologi Inovasi Mengubah Energi Termal menjadi Daya Portabel untuk Pertempuran
Dengan penambahan sensor dan alat komunikasi yang ditingkatkan, menyediakan daya ringan dan portable telah menjadi lebih tantalizing. Peneliti sekarang telah menunjukkan pendekatan baru untuk mengubah energi termal menjadi listrik yang dapat menyediakan daya yang kompakt dan efisien untuk tentara di medan perang masa depan.
Benda panas memancarkan cahaya dalam bentuk foton ke sekitarnya. Foton yang dipancarkan dapat ditangkap oleh sel fotovoltaik dan diubah menjadi energi listrik yang berguna. Pendekatan konversi energi ini disebut far-field thermophotovoltaics (FF-TPVs) dan telah dikembangkan selama bertahun-tahun; namun, ia menderita pada densitas daya rendah, dan oleh karena itu, memerlukan suhu operasi emitter yang tinggi.
Dalam pendekatan baru, jarak antara emitter dan sel fotovoltaik dikurangi ke skala nano, memungkinkan output daya yang jauh lebih besar daripada yang mungkin dengan FF-TPVs untuk suhu emitter yang sama. Ini memungkinkan penangkap energi yang jika tidak terperangkap di near-field emitter — disebut near-field thermo-photovoltaics (NF-TPV) — dan menggunakan desain sel fotovoltaik dan emitter yang khusus untuk kondisi operasi near-field.
Teknik ini menunjukkan densitas daya hampir satu orde magnitudo lebih tinggi dari sistem near-field-TPV terbaik yang pernah dilaporkan, sambil juga beroperasi dengan efisiensi enam kali lebih tinggi, membuka jalan untuk aplikasi near-field-TPV masa depan. Di masa depan, near-field-TPV dapat berfungsi sebagai sumber daya yang lebih kompakt dan efisiensi lebih tinggi untuk tentara, karena perangkat ini dapat berfungsi pada suhu operasi yang lebih rendah daripada TPV konvensional.
Efisiensi perangkat TPV dikarakterisasi oleh seberapa banyak dari total transfer energi antara emitter dan sel fotovoltaik yang digunakan untuk menarik pasangan elektron-lubang di sel fotovoltaik. Sementara meningkatkan suhu emitter meningkatkan jumlah foton di atas bandgap sel, jumlah foton sub-bandgap yang dapat memanaskan sel fotovoltaik perlu diminimalkan.
Ini dicapai dengan memproduksi sel TPV tipis dengan permukaan ultra-datar dan reflektor logam di belakang. Foton di atas bandgap sel terserap secara efisien dalam semikonduktor tebal mikron, sementara yang di bawah bandgap dipantulkan kembali ke emitter silikon dan didaur ulang.
Peneliti menanam sel fotovoltaik indium gallium arsenide tipis pada substrat semiconductor tebal lalu mengupas area aktif semiconductor yang sangat tipis dari sel dan mentransfernya ke substrat silikon. Peneliti juga melakukan perhitungan teoretis untuk mengestimasi kinerja sel fotovoltaik pada setiap suhu dan ukuran jarak dan menunjukkan kesesuaian yang baik antara eksperimen dan prediksi komputasi.
