penelitian bahan thermoelektrik bagi aplikasi konversi energi di

Jurnal Material dan Energi Indonesia
Vol. 01, No. 01 (2011) 58 – 70
© Jurusan Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran
PENELITIAN BAHAN THERMOELEKTRIK
BAGI APLIKASI KONVERSI ENERGI DI MASA MENDATANG
(REVIEW ARTICLE)
INGE M. SUTJAHJA †
Grup Riset Fisika Magnetik dan Fotonik
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung
Jl. Ganesha No. 10, Bandung 40132
Indonesia
diterima 22 Oktober 2010
revisi 10 Februari 2011
dipublikasikan 28 Februari 2011
Abstrak. Bahan thermoelektrik adalah bahan unik yang dapat mengkonversi energi panas menjadi energi
listrik, atau sebaliknya yang ramah lingkungan. Kinerja dari bahan thermoelektrik ditentukan oleh nilai figure
of merit (FOM) yang didefinisikan sebagai T=(S 2 σ/κ)/T, dengan S adalah koefisien Seebeck, σ adalah
konduktivitas listrik, κ adalah konduktivitas thermal, dan T adalah temperatur yang dinyatakan dalam Kelvin.
Devais thermoelektrik konvensional umumnya menggunakan bahan aloy bulk binary semikonduktor.
Walaupun demikian, penggunaan devais thermoelektrik konvensional ini dibatasi oleh nilai efisiensinya yang
relatif masih rendah. Dalam makalah ini direview hasil penelitian bahan thermoelektrik baru dalam usaha
untuk meningkatkan kinerjanya untuk aplikasi. Teknik yang digunakan berupa manipulasi sifat fisis bahan
dengan ‘induksi’ elemen tertentu (“rattler”), manipulasi struktur kristal dengan struktur nano, dan
investigasi bahan oksida bulk baru berbasis logam oksida kobalt.
Kata kunci: Bahan thermoelektrik, figure of merit (FOM), thermopower (koefisien Seebeck), resistivitas
(konduktivitas) listrik, konduktivitas thermal.
Abstact. The thermoelectric material is a unique material that can convert the heat energy directly into electrical
energy, or vise versa, with environmental friendly properties. In general the performance of the thermoelectric
material is determined by its figure of merit (FOM) defined by ZT=(S 2 σ/κ)/T, where S is the Seebeck
coefficient, σ is the electrical conductivity, κ is the thermal conductivity, and T is the operating temperature
measured in Kelvin. The conventional thermoelectric device commonly used alloy bulk binary semiconductor
materials. However its application is limited by its relatively low efficiency compared to other
energy converter methods. In this article we review several investigations on the ‘new thermoelectric materials’
to increase its performance for application. The techniques consist of doping the semiconductor materials
with “rattler”, crystal structure manipulation by using nanostructure, and investigation of new bulk oxide
materials mainly based on cobalt oxide system.
Keywords: thermoelectric material, figure of merit (FOM), thermopower, electrical resistivity (conductivity),
thermal conductivity.
Bahan thermoelektrik adalah bahan unik yang dapat mengkonversi energi panas menjadi energi
listrik, atau sebaliknya, tanpa menghasilkan gas beracun karbondioksida maupun polutan lain
seperti elemen logam berat (ramah lingkungan). Di dalam kehidupan manusia di muka bumi ini
energi panas terutama dihasilkan dari cahaya matahari; energi panas yang tidak berguna banyak
† email : inge@fi.itb.ac.id
58

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 59
pula dihasilkan dari limbah industri (pabrik) maupun dari kegiatan antropogenik manusia seperti
kendaraan bermotor (automotive) dan pemakaian AC (air conditioning). Dengan demikian, dengan
menggunakan bahan thermoelektrik ini, energi panas yang jumlahnya berlebih atau tidak berguna
dapat dikonversi menjadi energi listrik yang berguna bagi kehidupan manusia, terutama bagi daerah-daerah
terpencil atau terisolir dimana distribusi energi listrik masih memerlukan transmisitransmisi
energi. Dalam skala aplikasi yang lebih besar, material thermoelektrik ini diharapkan
dapat digunakan sebagai sumber energi alternatif untuk menggantikan energi dari bahan bakar
fosil yang bersifat tak terbarukan, sejajar dengan sumber-sumber energi alternatif yang lain seperti
tenaga air, geotermal, energi surya, energi angin, energi berbahan bakar biogas, dan energi nuklir.
S
S 2 σ
σ
κ e
κ
κ l
Gambar 1. Kebergantungan dari parameter-parameter thermoelektrik: konduktivitas listrik (σ ), thermopower (S), dan
konduktivitas thermal (κ) pada konsentrasi pembawa muatan bebas (n). Untuk nilai optimum tertentu, n ≈10 25 /m 3 =10 19 /cm 3
,faktor daya S 2 σ mencapai nilai maksimum [1].
Kinerja dari bahan thermoelektrik ditentukan oleh nilai figure of merit (FOM) bahan yang bersangkutan,
yang didefinisikan sebagai [1,2]
ZT
=
2
2
( S σ ) T ( S σ )
κ
T
=
κ + κ
e
l
(1)
dimana T adalah temperatur mutlak, S adalah thermopower atau koefisien Seebeck, σ (=1/ρ) adalah
konduktivitas (resistivitas) listrik, dan κ adalah konduktivitas thermal total yang merupakan
jumlahan dari kontribusi elektronik (κ e ) dan kontribusi kisi (κ l ). Nilai konduktivitas thermal
elektronik berhubungan dengan konduktivitas listrik menurut hukum Wiedemann-Franz [1,2],
κ
e 0
≅ L σT
(2)

60 Inge M. Sutjahja
dimana L 0 = 2,44 x 10 -8 V 2 /K 2 adalah nilai Sommerfeld dari bilangan Lorenz. Seperti diperlihatkan
dalam Gambar 1, secara umum nilai-nilai parameter S, σ, dan κ e bergantung pada konsentrasi
pembawa muatan (melalui doping) dalam bahan, yaitu untuk bahan umum logam, semikonduktor,
dan superkonduktor [1]. Secara khusus, faktor daya, S 2 σ, memiliki sebuah nilai maksimum tertentu
untuk nilai konsentrasi pembawa muatan yang optimum sekitar n ≈10 19 /cm 3 [1]. Dalam hal ini
diperlukan nilai yang besar dari mobilitas pembawa muatan untuk mencapai nilai konduktivitas
listrik maksimum untuk suatu konsentrasi pembawa muatan tertentu. Dengan demikian dapat disimpulkan
bahwa kinerja dari bahan thermoelektrik terutama ditentukan oleh pembawa muatan
listrik n (elektron atau lubang) dengan minor kontribusi dari kisi (lattice).
Dapat dilihat pula dari Gambar 1 kebergantungan yang berlawanan dari nilai S dan σ pada n. Secara
umum nilai thermopower dari suatu bahan bergantung pada temperatur bahan dan struktur
kristalnya. Dapat disebutkan bahwa umumnya logam memiliki nilai S yang relatif kecil berkaitan
dengan pita valensi yang terisi setengah penuh. Dalam hal ini, baik elektron (muatan negatif) dan
lubang (muatan positif) berkontribusi secara bersamaan pada nilai S dengan tanda yang saling berlawanan,
sehingga menghasilkan nilai S total yang relatif kecil. Sebaliknya, bahan semikonduktor
dapat didoping oleh elektron atau lubang (melalui doping elemen lain) sehingga dapat menghasilkan
nilai S yang lebih besar, dimana tanda dari nilai S yang dihasilkan sesuai dengan mayoritas
jenis pembawa muatan. Di sisi lain, bahan superkonduktor memiliki nilai thermopower sama dengan
nol berhubungan dengan nilai entropi nol dari pembawa muatan yang dikenal dengan nama
pasangan Cooper.
Prinsip kerja bahan thermoelektrik adalah berdasarkan efek Peltier (produksi dari gradien
temperatur oleh arus listrik), efek Seebeck (konversi langsung gradien temperatur menjadi arus
listrik atau daya listrik), dan efek Thomson (pendinginan atau pemanasan dari sebuah konduktor
pembawa arus oleh sebuah gradien temperatur) [2,3]. Hal ini memberikan banyak keuntungan dari
pemakaian bahan thermoelektrik bagi aplikasi devais semikonduktor dan elektronik lain karena
merupakan refrigerator bahan-padat (solid-state refrigerator) yaitu tanpa adanya bagian-bagian
yang bergerak atau bervibrasi, performa yang baik berhubungan dengan kemampuannya untuk
melokalisasi “spot” pendinginan, bersifat ramah lingkungan, dan dapat dengan mudah digunakan
dalam teknologi untuk menangkap panas atau untuk konversi energi [3].
(a)
(b)
Gambar 2. Prinsip kerja devais thermoelektrik sebagai: (a) generator daya, dan (b) pompa panas. I adalah arus listrik [2].

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 61
Devais thermoelektrik secara umum terdiri dari dua material thermoelektrik yang berbeda jenis
(tipe-n dan tipe-p) yang saling terhubung satu sama lain membentuk sebuah junction [2]. Jelasnya,
elemen-elemen tersebut dihubungkan seri secara elektrik dan paralel secara thermal, yang dapat
dipakai sebagai devais generator daya dan pompa panas, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.
Dapat disebutkan secara singkat bahwa prinsip kerja generator daya adalah dengan memberikan
sebuah gradien thermal sehingga arus listrik akan mengalir dari satu bahan ke bahan yang lain,
sedangkan prinsip kerja dari pompa panas adalah melewatkan sebuah arus listrik melalui junction
sehingga akan dihasilkan pendinginan pada bahan [2].
Gambar 3. Nilai FOM ZT untuk beberapa bahan thermoelektrik konvensional [3].
Devais thermoelektrik konvensional umumnya menggunakan bahan aloy bulk binary
semikonduktor yang tersusun dari pasangan elemen material thermoelektrik berbeda (tipe-n dan
tipe-p). Selama lebih dari 30 dekade, bahan aloy semikonduktor dengan sistem Bi 2 Te 3 , (Bi 1-
xSb x ) 2 (Te 1-x Se x ) 3 , PbTe, dan Si 1-x Ge x telah dikaji secara intensif untuk menghasilkan nilai ZT yang
optimum [1,4]. Variasi nilai ZT terhadap temperatur dari beberapa bahan thermoelektrik
konvensional tipe-p dan tipe-n diperlihatkan dalam Gambar 3 [3,5]. Walaupun demikian,
penggunaan devais thermoelektrik konvensional ini dibatasi oleh nilai efisiensinya yang relatif
masih rendah. Hal ini berkaitan dengan sulitnya memanipulasi ketiga parameter S, σ and κ, untuk
mencapai nilai ZT yang besar pada bahan-bahan padatan konvensional. Fakta menunjukkan bahwa
modifikasi pada satu parameter tersebut akan mempengaruhi nilai parameter yang lain, sehingga
nilai ZT tidak berubah secara signifikan. Dengan demikian, pada daerah temperatur ruang nilai ZT
dari bahan thermoelektrik konvensional hanya berkisar pada angka satu, yang jauh berbeda dengan
nilai ZT sekitar 4 yang diperlukan dalam skala aplikasi. Gambar 4 menunjukkan perbandingan
nilai performansi atau efisiensi dari bahan thermoelektrik dibandingkan dengan metoda konversi
energi yang lain [6]. Dari gambar tersebut terlihat bahwa nilai performansi (efisiensi) dari

62 Inge M. Sutjahja
teknologi berbasis bahan thermoelektrik (ZT = 0,5) masih jauh di bawah nilai dari teknologi yang
lain yang memiliki nilai ZT yang lebih besar
Gambar 4. Perbandingan dari teknologi bahan thermoelektrik dengan metoda konversi energi yang lain untuk: (a)
pendinginan dan (b) generator daya [6]. Performansi (efisiensi) dari teknologi berbasis bahan thermoelektrik ditandai oleh
nilai ZT = 0,5.
Berbagai upaya telah dilakukan oleh para peneliti mancanegara untuk melahirkan bahan-bahan
thermoelektrik baru yang dapat menghasilkan nilai ZT yang lebih tinggi bagi keperluan aplikasi.
Secara prinsip nilai efisiensi thermoelektrik yang tinggi memerlukan material dengan nilai
konduktivitas listrik yang besar (untuk mereduksi efek pemanasan diri atau self-heating
berhubungan dengan arus listrik yang melewati devais), koefisien Seebeck yang tinggi (untuk
menghasilkan tegangan yang besar di dalam generator daya dan koefisien Peltier yang besar di
dalam proses pendinginan), dan konduktivitas thermal yang rendah (untuk menghasilkan beda
temperatur yang besar dan dengan demikian nilai tegangan yang besar di dalam generator daya).
Dari sisi eksperimen, upaya tersebut berupa manipulasi sifat fisis bahan dengan ‘induksi’ elemen
tertentu (“rattler”) [2,3,7,8] dan investigasi bahan oksida bulk baru (berbasis logam transisi)
dengan kadar doping yang dapat divariasi [9,10]. Di sisi lain, manipulasi struktur kristal bahan
dengan film tipis atau struktur dimensi rendah (struktur nano) menunjukkan peningkatan nilai ZT
thermoelektrik yang cukup signifikan [2,3,6,11,12].
Semikonduktor dengan “rattler”
Bergantung pada bagaimana baiknya sifat konduktivitas listrik dan buruknya sifat konduktivitas
thermal dari suatu bahan tertentu, Glen Slack (Rensselaer Polytechnic Institute) mengkarakterisasi
material sebagai semikonduktor "holey" atau "unholey". Pengelompokkan ini berdasarkan prinsip
bahwa bahan thermoelektrik yang baik harus bersifat seperti sebuah material “phonon-glass,
electron-crystal” (PGEC), atau dengan kata lain bahan thermoelektrik tersebut harus memiliki sifat
thermal seperti sebuah glass dan sifat elektronik seperti sebuah kristal [2,3,7].
Konsep Slack dari semikonduktor holey untuk bahan thermoelektrik yang baru berpusat pada
minimisasi nilai konduktivitas thermal kisi dengan memasukkan atom-atom lain yang tidak terikat
("rattlers") ke dalam lubang-lubang di dalam struktur bahan. Berkaitan dengan hilangnya
keteraturan berjangkauan panjang (long-range order), atom-atom rattlers ini akan bergerak bebas

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 63
di dalam lubang dan dengan demikian menghamburkan fonon (kuantisasi vibrasi kisi), yang pada
gilirannya akan mereduksi secara efektif dan meminimalkan nilai konduktivitas thermal kisi. Dari
investigasi ini dikenal beberapa material baru yang disebut sebagai skutterudites [2,3,7,13,14] dan
clathrates [2,3,7].
Transition Metal Atom
(Co, Rh, Ir)
Metalloids atau Pnicogen
Atom (P, As, Sb)
Void Space/Filler Ion
Gambar 5. Struktur kristal dari binary skutterudites [14].
Secara umum material skutterudites dengan rumus pokok ReTm 4 M 12 adalah suatu senyawa
kompleks yang terdiri dari elemen tanah jarang (Re), logam tansisi (Tm) dan Pnicogen atau
metalloids (M). Nama skutterudites berasal dari nama mineral alami skutterudite atau CoAs 3 yang
ditemukan di daerah skutterud, Norwaygia. Dalam hal ini elemen tanah jarang merupakan
“rattler” yang dimasukkan dalam material binary skutterudites yang memiliki rumus kimia TmM 3 ,
yang awalnya memiliki nilai konduktivitas termal dan nilai koefisien Seebeck yang relatif besar.
Struktur kristal dari binary skutterudites diperlihatkan dalam Gambar 5. Dari gambar tersebut
terlihat bahwa binary skutterudites memiliki dua ruang kosong yang besar dalam tiap unit sel
satuan. Pengisian tempat kosong tersebut dengan ion-ion tanah jarang bervalensi +3 dengan
ukuran diameter yang relatif kecil dan massa yang relatif besar akan berakibat pada reduksi
konduktivitas thermal, yang pada gilirannya akan meningkatkan nilai ZT.
(a)
Lattice Thermal Conductivity
(mW/cmK)
Temperature (K)
(b)
Gambar 6. Penurunan nilai konduktivitas thermal kisi dari material skutterudites: (a) IrSb 3 dan Ir 0.5Rh 0.5Sb 3, serta (b)
ReIr 4(Ge 3Sb 9) untuk Re = La, Sm, dan Nd [14].

64 Inge M. Sutjahja
Gambar 6 menunjukkan secara nyata penurunan nilai konduktivitas thermal kisi dari material
skutterudites Ir 0.5 Rh 0.5 Sb 3 (dibandingkan dengan IrSb 3 ), dan ReIr 4 (Ge 3 Sb 9 ) untuk Re = La, Sm, dan
Nd [14]. Selanjutnya, peningkatan nilai ZT dari beberapa material bulk skutterudites dibandingkan
dengan bahan thermoelektrik konvensional dan kebergantungannya terhadap temperatur
ditunjukkan dalam Gambar 7 [15].
Kelas lain dari bahan thermoelektrik baru dengan konsep semikonduktor holey yang menjanjikan
peningkatan nilai ZT yang cukup signifikan adalah clathrates. Material ini, seperti halnya
skutterudites, juga menunjukkan struktur seperti perangkap dan mekanisme “rattling” untuk
menurunkan nilai konduktivitas thermal. Terdapat dua tipe material clathrate, yaitu clathrates tipe I
dengan rumus umum X 2 Y 6 E 46 (X dan Y masing-masing adalah logam alkali, alkali tanah atau
logam tanah jarang yang berlaku sebagai atom “rattler”, dan E adalah elemen grup IV) dan
clathrates tipe II dengan rumus umum X 8 Y 16 E 136 [8].
Gambar 7. Nilai ZT dari beberapa material bulk skutterudites dan bahan thermoelektrik konvensional serta
kebergantunganya sebagai fungsi dari temperatur [15].
Material clathrates tipe I menunjukkan sifat-sifat fisis menarik yang jarang ditemui dalam bahan
padat lain, antara lain nilai konduktivitas thermal yang cukup kecil dan variasinya yang menarik
sebagai fungsi dari temperatur. Sebagai contoh, nilai konduktivitas thermal pada temperatur ruang
dari semikonduktor Sr 8 Ga 16 Ge 30 lebih rendah dari bahan vitreous silica dan sangat dekat dengan
amorphous Germanium [16–18]. Di sisi lain, data konduktivitas termal pada temperatur rendah (T
< 1 K) menunjukkan kebergantungan temperatur T 2 , sedangkan pada temperatur yang lebih tinggi
konduktivitas termal menunjukkan sebuah nilai minimum atau dip yang mengindikasikan suatu
proses hamburan resonansi. Studi intensif hasil-hasil eksperimen dan kajian teori menunjukkan
korelasi antara sifat-sifat thermal, ultrasound, dan optik dengan struktur kristal bahan, yang
merupakan indikasi kuat dari kehadiran hamburan resonansi dari fonon akustik dengan modus
“rattle” optik frekuensi rendah, yang pada gilirannya menentukan sifat transport thermal di dalam
bahan clathrate. Hasil refinement struktur kristal pada suhu ruang dari data pengukuran hamburan
neutron dan difraksi sinar X menunjukkan parameter perpindahan atomik yang besar untuk atomatom
di dalam struktur dari clathrate tipe I. Hal ini mengindikasikan disorder terlokalisasi di dalam

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 65
polihedra di sekitar vibrasi termal umum. Material tertentu dari clathrates tipe I seperti
Sr 8 Ga 16 Ge 30 dan Eu 8 Ga 16 Ge 30 menunjukkan konduktivitas thermal sperti glass dan mobilitas
pembawa muatan yang besar, sehingga dapat dipandang sebagai “phonon glass–electron crystal”
(PGEC). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa keadaan penerobosan (tunneling states) dan
keadaan “rattling” pada material clathrate diperlukan untuk menghasilkan nilai konduktivitas
thermal yang kecil, yang pada gilirannya dapat meningkatkan nilai ZT. Lebih jauh, bentuk kristal
dari material ini menunjukkan sifat-sifat fisis yang lebih kaya, termasuk di dalamnya adalah
kelakukan semikonduktif dan superkonduktif, dengan sifat-sifat thermal seperti bahan amorphous.
Kebanyakan bahan thermoelektrik konvensional yang telah banyak dikaji sebelumnya merupakan
sistem binary intermetalik semikonduktor. Dengan demikian investigasi bahan baru berfokus pada
sistem ternary dan quaternary chalcogenides yang mengandung atom berat dengan struktur
kompleks isotropik atau berdimensi rendah [6]. Sistem ini merupakan bahan semikonduktor
unholey dengan massa efektif pembawa muatan yang besar dan konduktivitas thermal kisi yang
kecil. Termasuk contoh dari material chalcogenide ini adalah CsBi 4 Te 6 (Bi 2 Te 3 yang diisi oleh
elemen Cs) [19] dan pentatelluride (HfTe 5 and ZfTe 5 ) [20]. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa
nilai ZT dari CsBi 4 Te 6 adalah 40% lebih tinggi dari bahan aloy konvensional [(Bi 1-x Sb x ) 2 (Te 1-
xSe x ) 3 ] pada suhu 225 K, sedangkan nilai faktor daya dari bahan pentatellurides yang didoping
dengan Selenium melebihi nilai yang dicapai oleh material Bi 2 Te 3 pada suhu rendah. Dengan
demikian dapat disimpulkan bahwa material semikonduktor unholey ini memiliki potensi sifat
elektronik yang baik pada temperatur rendah, yang dapat berperan sebagai bahan thermoelektrik
temperatur rendah (T < 220 K).
Struktur nano
Material struktur nano menjanjikan konversi energi thermoelektrik yang lebih efisien
dibandingkan dengan material bulk. Hal ini terutama berkaitan dengan fakta bahwa di dalam
struktur nano, berbagai fenomena, sifat, dan fungsi baru yang tidak biasa (unusual) dapat muncul.
Hicks dan Dresselhauss [12] menunjukkan bahwa pada bentuk struktur nano dari material tertentu,
efek pembatasan gerak dari pembawa muatan listrik pada skala mikroskopik atau yang dikenal
sebagai efek pembatasan kuantum (quantum confinement) dapat meningkatkan nilai koefisien
Seebeck dan konduktivitas listrik. Efek pembatasan kuantum dapat dicapai, contohnya, melalui
reduksi dari dimensi sistem (struktur film tipis atau nanowire). Gambar 8 menunjukkan prediksi
nilai ZT dari bahan semikonduktor BiTe, yaitu berbentuk 3D (bulk), 2D (film tipis), dan 1D
(nanowire) [6]. Dari gambar tersebut dapat disimpulkan bahwa peningkatan nilai ZT berkaitan erat
dengan peningkatan efek pembatasan kuantum dengan reduksi dimensionalitas efektif sistem.

66 Inge M. Sutjahja
Gambar 8. Prediksi peningkatan nilai ZT dari bahan bismuth telluride dengan struktur nano [6].
Kontribusi utama lain dari peningkatan nilai ZT di dalam bahan struktur nano bersumber dari
perubahan sifat-sifat transport thermal pada skala nano. Sebagai contoh, investigasi eksperimental
dari sifat transport panas di dalam superlattice menunjukkan bahwa walaupun lapisan-lapisan
dalam struktur tersebut merupakan kristal tunggal dengan kualitas baik, nilai konduktivitas thermal
efektif yang dihasilkan jauh lebih rendah dari bahan bulk, dan juga lebih kecil dari nilai
konduktivitas thermal dari bahan aloy dengan komposisi ekivalen. Hal ini terkait erat dengan
peran sangat penting dari hamburan pembawa muatan pada permukaan dan interface [6].
Gambar 9. Nilai ZT dari beberapa bahan thermoelektrik, dengan struktur nano dan bulk [6].

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 67
(a) (b) (c)
Gambar 10. Pendekatan baru dari penggunaan struktur nano untuk menghasilkan nilai ZT thermoelektrik yang besar: (a)
sistem superlattices Bi 2Te 3/Sb 2Te 3, (b) sistem superlattices quantum dot PbTe/PbTeSe, dan (c) sistem nanowire Bi, BiSb,
dan BiTe [6].
Bukti nyata hasil eksperimen dari peningkatan nilai ZT dari sistem struktur nano dan
perbandingannya dengan bahan thermoelektrik bulk diperlihatkan dalam Gambar 9 [21]. Dari
gambar tersebut, peningkatan nilai performansi thermoelektrik hingga mencapai nilai ZT ≈ 2,4
pada T ≈ 330 K diperoleh pada superlattices Bi 2 Te 3 /Sb 2 Te 3 dan ZT ≈ 1,3 – 1,6 pada struktur
superlattices quantum dot PbTe/PbTeSe. Struktur dari kedua material tersebut ditunjukkan secara
kualitatif dalam Gambar 10. Ekperimen menunjukkan bahwa kontribusi utama pada peningkatan
nilai ZT dari material superlattices bersumber dari reduksi konduktivitas thermal kisi daripada
peningkatan dari faktor daya. Sebaliknya, peningkatan nilai koefisien Seebeck yang cukup
signifikan diamati pada material struktur nanowire (Gambar 10 (c)), antara lain sistem nanowire
Bi, BiSb, dan BiTe [6].
Bahan Bulk Baru
Dibandingkan dengan bahan thermoelektrik yang lain, bahan oksida bulk menarik dari sisi sifat
kimiawinya yang stabil pada temperatur tinggi dan sifatnya yang tidak beracun. Loncatan besar
pada investigasi material bulk thermoelektrik dimulai dengan penemuan sistem oksida kobalt
berlapis Na x CoO 2 dengan nilai S mencapai 100 µV/K pada temperatur ruang [9,10]. Selain bersifat
thermoelektrik, bentuk hidrat dari material ini juga bersifat superkonduktif pada suhu rendah [22].
Penemuan ini kemudian berlanjut pada sistem serupa seperti La 1-x Sr x CoO 3 [23], Ca 3 Co 4 O 9 [24]
dan Bi 2 Sr 2 Co 2 O y [25,26].
Seperti diperlihatkan dalam Gambar 11, selain kesamaan kehadiran lapisan konduktif CoO 2 ,
perbedaan mendasar dari struktur kristal sistem Na x CoO 2 dengan sistem oksida kobalt berlapis
yang lainnya adalah pada lapisan blok. Pada sistem Na x CoO 2 , lapisan blok hanya terdiri dari
lapisan Na tunggal dimana Na terorder secara struktur, sedangkan lapisan blok pada sistem lain
terdiri dari lapisan rock-salt yang tebal dengan tipe NaCl, yang berlaku sebagai lapisan reservoar
muatan untuk menjamin stabilisasi struktur secara elektrostatik. Dalam hal ini, variasi doping
dapat dilakukan dengan mengubah kation atau komposisi oksigen. Di sisi lain, sistem oksida
kobalt selain Na x CoO 2 menunjukkan struktur misfit dari kedua lapisan blok (modulasi dalam
bidang basal oktahedral), yang merupakan parameter penting dalam peningkatan nilai daya
thermopower sistem yang bersangkutan [28].

68 Inge M. Sutjahja
Gambar 11. Struktur kristal material termoelektrik sistem oksida kobalt berlapis: Na xCoO 2, Ca 2Co 2O 5, dan Bi 2Sr 2CoO 8
[27].
Di sisi lain, studi intensif menunjukkan bahwa sistem elektron 3d dari ion Co merupakan sistem
elektron yang terkorelasi kuat (strongly correlated electron system) yang memegang peranan
sangat penting bagi peningkatan nilai daya thermopower (S) [29]. Hal ini berkaitan dengan
degenerasi karakteristik yang diasosiasikan dengan derajat kebebasan spin dan orbital dalam
keadaan lokal dari ion-ion Co 3+ dan Co 4+ . Keadaan lokal tersebut dikarakterisasi oleh konfigurasi
elektron 3d dengan derajat degenerasi lipat 5 dalam orbital-orbital 3 t 2g dan 2 e g , yang ditentukan
oleh nilai kopling Hund K, nilai splitting medan kristal ∆ (= 10 D q ) antara tingkat energi e g dan t 2g ,
serta nilai temperatur T. Setiap keadaan yang dikarakterisasi dengan konfigurasi spin dan nilai spin
total yang berbeda dapat diklasifikasikan menjadi; 1) konfigurasi spin rendah (low spin, LS), 2)
spin menengah (intermediated-spin, IS), dan 3) spin tinggi (high spin, HS), di mana masingmasing
keadaan tersebut memiliki derajat degenerasi (g) yang berbeda sesuai dengan perkalian
antara derajat degenerasi orbital g L dan derajat degenerasi spin g S (= 2S + 1).
Secara teoritis, Koshibae telah menurunkan nilai ekspektasi thermopower pada daerah temperatur
yang cukup tinggi melalui modifikasi rumusan Heikes [29],
k
B
⎛ g
3 x ⎞
S = − ln
⎜
⎟
(3)
e ⎝ g
4
1−
x ⎠
dimana g 3 (g 4 ) adalah derajat degenerasi ion Co dalam keadaan valensi Co 3+ (Co 4+ ), serta x adalah
jumlah atau konsentrasi doping. Rumusan ini telah berhasil memprediksi nilai thermopower dari
material Na x CoO 2 sesuai dengan hasil eksperimen, yaitu prediksi keadaan spin rendah (LS) dari
ion-ion Co 3+ dan Co 4+ dalam bahan. Selain itu, rumusan ini juga dapat dipakai untuk memprediksi
tanda dan nilai thermopower dari material oksida lain berbasis logam transisi (jika valensi ionik
dari logam tersebut dapat memiliki keadaan divalensi seperti ion Co), dan dengan mengatur derajat
degenerasi yang bersesuaian. Beberapa contoh diperlihatkan dalam Tabel 1 berikut, dengan tingkat
kesesuaian yang tinggi dengan hasil eksperimen [27].

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 69
Tabel 1: Nilai ekspektasi thermopower dari material oksida lain berbasis logam transisi [27].
Ion logam transisi
g − ( e) ln( g g )
3
g 4
Ti 3+ (3d 1 ), Ti 4+ (3d 0 ) 6 / 1 - 154
V 3+ (3d 2 ), V 4+ (3d 1 ) 9 / 6 - 35
Cr 3+ (3d 3 ), Cr 4+ (3d 2 ) 4 / 9 70
Mn 3+ (3d 4 ), Mn 4+ (3d 3 ) 10 / 4 - 79
Rh 3+ (4d 6 ), Rh 4+ (4d 5 ) 1 / 6 154
k B
3
4
, µV/K
Ucapan Terimakasih
Sebagian hasil penelitian yang disajikan dalam artikel ini didukung oleh Riset Ikatan Alumni ITB
tahun anggaran 2010-2011.
Daftar Pustaka
1. D.M. Rowe, ed., CRC Handbook of Thermoelectrics (CRC Press, Boca Raton, FL, 1995).
2. Terry M.Tritt and M.A. Subramanian, Guest Editors, Thermoelectric Materials, Phenomena,
and Applications: A Bird’s Eye View, MRS BULLETIN VOLUME 31, p. 188-198 MARCH
2006
3. Jyrki Tervo, Antti Manninen, Risto Ilola & Hannu Hänninen, State-of-the-art of thermoelectric
materials processing (Properties and applications), V JULKAISIJA – UTGIVARE –
PUBLISHER, ISBN 978-951-38-7184-0 (URL: http://www.vtt.fi/publications/index.jsp),
ISSN 1459-7683, Copyright © VTT 2009.
4. H.J. Goldsmid, Electronic Refrigeration (Pion Limited, London, 1986).
5. Terasaki, I. Introduction to Thermoelectricity (Ch 13). Materials for Energy Conversion Devices,
eds. Sorrell, C., Sugihara, S. & Nowotny, J. Woodhead Publishing in Materials, Cambridge,
2005, pp. 339–357.
6. Chen, G. and Shakouri, A. 2002 Heat transfer in nanostructures for solid state energy
conversion, J. Heat Transfer, Vol. 124 pp. 242-252.
7. G.A. Slack, in CRC Handbook of Thermoelectrics, ed. by D.M. Rowe (CRC Press, Boca Raton,
FL, 1995) pp. 407.
8. Terry M. Tritt, Overview of Various Strategies and Promising New Bulk Materials for Potential
Thermoelectric Applications, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 691 © 2002 Materials Research
Society.
9. I. Terasaki and N. Murayama, eds., Oxide Thermoelectrics (Research Signpost, Trivandrum,
India, 2002).
10. I. Terasaki, Y. Sasago, and K. Uchinokura, Phys. Rev. B 56, 12685 (1997).
11. Handbook of thermoelectrics (From Macro to Nano), edited by D.M. Rowe, Ph.D, D.Sc.,
CRC Taylor and Francis, 2006.
12. L.D. Hicks and M.S. Dresselhaus, Phys. Rev.B 47 (1993) pp. 12727.
13. J.-P. Fleurial, T. Caillat and A. Borshchevsky , Skutterudites: An Update , Proceedings of the
XVI International Conference on Thermoelectrics, Dresden, Germany, August 26-29, 1997
14. Gary A. Lamberton, Jr., Terry M. Tritt, R. W. Ertenberg, M. Beekman, George S. Nolas,
Overview of the Thermoelectric Properties of Yb-filled CoSb 3 Skutterudites, Power Point
Presentation, The University of Mississippi.
15. Terry M. Tritt & Mas Subramanian, MRS Bulletin TE Theme, March 2006
16. J.L. Cohn, G.S. Nolas, V. Fessatidis, T.H. Metcalf and G.A. Slack, Phys. Rev. Lett. 82, 779
(1999).
17. G.S. Nolas, T.J.R. Weakley and J. L. Cohn, Chem. Mater. 11, 2470 (1999).

70 Inge M. Sutjahja
18. B.C. Sales, B.C. Chakoumakos, R. Jin, J.R. Thompson and D. Mandrus, Phys. Rev. B 63,
245113 (2001).
19. Duck Young Chung, et. al., Science, 287, 1024 (2000).
20. W. M. Yim and F. D. Rosi, Solid-State Electronics, 15, 1121-40, (1972).
21. Chen, G., Dresselhaus, M. S., Dresselhaus, G., Fleurial, J.-P., and Caillat, T., 2003, “Recent
Developments in Thermoelectric Materials, “ International Materials Reviews, Vol. 48.
22. K. Takada, H. Sakurai, E. Takayama-Muromachi, F. Izumi, R.A. Dilanian, T. Sasaki, Nature
422, 53 (2003).
23. K. Berggold, M. Kriener, C. Zobel, A. Reichi, M. Reuther, R. Müller, A. Freimuth, and T.
Lorenz, Phys. Rev. B 72, 155116 (2005).
24. A. Maignan, S. Hébert, M. Hervieu, C. Michel, D. Pelloquin, and D. Khomskii, J. phys. :
Condens. Matter 15, 2711 (2003).
25. D. Pelloquin, A. Maignan, S. He´bert, C. Martin, M. Hervieu, C. Michel, L. B. Wang, and B.
Raveau, Chem. Mater. 14, 3100 (2002).
26. R. Funahashi and M. Shikano, Appl. Phys. Lett. 81, 1459 (2002).
27. S. Maekawa, IMR, Tohoku University, Spin, Charge and Orbital and their Excitations in
Transition Metal Oxides, Hong Kong, Dec. 18, 2006.
28. H. Leligny, D. Grebille, O. Perez, A.C. Masset, M. Hervieu, and B. Raveau, Acta Crystallographica
Section B, B56, 173-182 (1999).
29. W. Koshibae, T. Tsutsui and S. Maekawa, Phys. Rev. B 62, 6869 (2000).