Download JMEI Vol. 01 No. 01, Februari 2011 - Jurnal Material dan ...

JMEI JurnalMaterial dan Energi IndonesiaVolume 01, Nomor 01, Tahun 2011http://jmei.phys.unpad.ac.idDiagram film tipis untuk sel surya(lihat halaman 7)ISSN: 2087-748X

JMEI JurnalMaterial dan Energi IndonesiaVolume 1 No. 1 28 Februari 2011Penanggung JawabKetua Jurusan Fisika FMIPA UnpadKetua Editor:Fitrilawati, Jurusan Fisika FMIPA UnpadEditor Pelaksana :Irwan Ary Dharmawan, Jurusan Fisika FMIPA UnpadSahrul Hidayat, Jurusan Fisika FMIPA UnpadEditor:Yudi Rosandi, UnpadRisdiana, UnpadDarmawan Hidayat, UnpadHendra Grandis, ITBBambang Prijamboedi, ITBDarminto, ITSEvvy Kartini , BATANTaufik, California Polytechnic State University (Calpoly)Luis Sandoval, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)Kazuki Ohishi (RIKEN)Jurnal Material dan Energi Indonesia(JMEI) merupakan jurnal ilmiah yangmemuat hasil-hasil penelitian yangmencakup kajian teoretik, simulasidan modeling, eksperimen, rekayasadan eksplorasi dalam bidang Materialdan Energi. Jurnal ini terbit secaraberkala sebanyak tiga kali dalamsetahun (Februari, Juni dan Oktober).Redaksi menerima naskah ilmiah hasilpenelitian, pikiran dan pandangan,review, komunikasi singkat dalambidang material dan energi. Petunjukpenulisan artikel tersedia di dalamsetiap terbitan dan secara online.Artikel yang masuk akan melaluiproses seleksi mitra bebestari dandisetujui oleh dewan editor.Biaya Penerbitan: Rp. 300.000 per artikelHarga langganan (termasuk ongkos kirim per eksemplar)Untuk Pemesanan atas nama Pulau Jawa Luar JawaLembaga Rp. 75.000,- Rp. 85.000,-Perorangan Rp. 50.000,- Rp. 60.000,-Penerbit: Jurusan Fisika FMIPA UnpadTerbit pertama kali: Februari 2011Terbit tiga kali setahun (Februari, Juni, Oktober)Alamat Editor:Sekretariat Jurnal Material dan Energi Indonesia (JMEI)Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas PadjadjaranJl. Raya Jatinangor Sumedang 45363Telpon: 022 779 6014, Fax: 022 779 2435Alamat email jurnal: jmei@phys.unpad.ac.idWebsite: http://jmei.phys.unpad.ac.idi

JMEI JurnalMaterial dan Energi IndonesiaVolume 1 No. 1 28 Februari 2011Daftar IsiSintesis Nanopartikel Fe 3 O 4 dengan Template PEG-1000 dan Karakterisasi 1 – 6Sifat MagnetiknyaFebie Angelia Perdana, Malik Anjelh Baqiya, Mashuri, Triwikantoro, DarmintoSel-Surya Polimer: State of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas 7 – 14PadjadjaranAyi Bahtiar, Annisa Aprilia, FitrilawatiRealisasi dan Analisis Sumber Energi Baru Terbarukan Nanohidro dari 15 – 21Aliran Air Berdebit KecilWarsito, Sri Wahyu Suciati, D. Wahyudi, Wildan KhoironStudi Eksperimental Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut 22 – 30Kemiringan Untai pada Kasus Sirkulasi Alamiah Menggunakan UntaiSimulasi Sirkulasi Alamiah (USSA-FT01)Mulya Juarsa, Arief Goeritno, Asep Suheri, Iwan Sumirat, Dewanto Saptoadi,Andika NurcahyoEstimasi Distrubusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoar 31 – 39Panas BumiAlamta Singarimbun, Robi IrsamukhtiKarakteristik Fotodioda dan Sel Surya Hibrid Berbasis Polimer 40 – 46Poli(alkil tiofen)Rahmat Hidayat, Annisa Aprilia, Priastuti Wulandari, HermanSimulasi Lattice Boltzman untuk Menentukan Konsentrasi Polarisasi 47 – 58pada Solid Oxide Fuel CellIrwan Ary Dharmawan, Dini Fitriani, Kusnahadi SusantoPenelitian Bahan Termoelektrik bagi Aplikasi Konversi Energi di 59 – 71Masa MendatangInge M. SutjahjaHalii

Kata PengantarDalam penerbitan perdana, Jurnal Material dan Energi Indonesia (JMEI) Volume 1Nomor 1 tahun 2011 menyajikan delapan buah artikel yang terdiri dari empat buah artikelkontribusi dan empat buah artikel yang merupakan makalah terpilih pada kegiatan SimposiumNasional Energi (SNE 2010). Dari makalah kontribusi terdapat artikel tentang nanopartikelmagnetik, sumber energi terbarukan nano hidro, karakteristik fotodioda dan sel surya hibridberbasis polimer polialkiltiofen, dan review singkat tentang bahan termoelektrik untuk aplikasikonversi energi. Dari makalah terpilih SNE2010 terdapat artikel tentang perkembangan penelitiansel surya polimer, studi eksperimental laju aliran massa air berdasarkan data perubahan temperaturpada bagian dingin dan bagian panas di untai USSA FT-01, estimasi parameter fisis reservoarpanas bumi, dan simulasi lattice Boltzman untuk fuel cell.Redaksi mengucapkan terima kasih kepada kontributor JMEI edisi perdana. Semogaartikel-artikel dalam jurnal edisi nomor ini bermanfaat bagi pembaca dan perkembangan penelitianbidang material dan energi di Indonesia.Dewan Redaksiiii

2 Febie Angelia Permana dkkDalam tulisan ini dilaporkan kegiatan sintesis dan karakterisasi struktur serta sifat magnetiknanopartikel Fe 3 O 4 dengan template PEG-1000. Fe 3 O 4 disintesis dari pasir besi (ferit alami)dengan metoda kopresipitasi. Hasilnya akan dibandingkan lebih lanjut dengan hasil sintesis Fe 3 O 4menggunakan PEG-400 dari penelitian sebelumnya [3].2. EksperimenPasir besi yang telah diekstrak [4] dilarutkan dalam HCl 12 molar sebanyak ±35 ml pada suhu~70 °C dan diaduk selama 15 menit dengan pengaduk magnetik. Setelah larutan homogendilakukan penyaringan dengan kertas saring. PEG-1000 yang berbentuk padatan, dipanaskan dandilelehkan pada suhu 40 ºC. PEG-1000 yang sudah mencair ditambahkan dalam larutan denganvariasi perbandingan volume 1:1, 1:2 dan 1:4, lalu diaduk. Ke dalam larutan ditambahkan NH 4 OH12 molar sebanyak ±30 ml sambil terus diaduk dan dipanaskan pada suhu ~70 °C. Endapan Fe 3 O 4yang terbentuk (berwarna hitam pekat) dipisahkan dari larutannya yang kemudian dicuci denganaquades berulang kali. Untuk mendapatkan serbuk nanopartikel Fe 3 O 4 , endapan dikeringkan dalamoven pada suhu sekitar 70 ºC selama 5 jam, yang kemudian dikarakterisasi dengan X-Raydiffractometer (XRD), transmission electron microscope (TEM) dan vibrating samplemagnetometer (VSM).Gambar 1. Pola XRD sampel Fe 3O 4 dengan : (a) tanpa PEG-1000 dan penambahan PEG (b) 1:1(c) 1:2 (d) 1:4.3. Hasil dan PembahasanGambar 1 menunjukkan pola XRD dari sampel Fe 3 O 4 tanpa penambahan PEG-1000 dan denganperbandingan penambahan PEG-1000 yang bervariasi. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwaterbentuk puncak yang semakin lebar dengan bertambahnya volume PEG-1000, yangmenunjukkan bahwa ukuran kristalnya semakin kecil. Berdasarkan hasil analisis menggunakanprogram search- match dan analisis kualitatif menggunakan metode Hanawalt, bahwa sampelmengandung 100% fasa Fe 3 O 4 , yang ditunjukkan oleh puncak-puncak difraksi dengan indeksMiller. Ini berarti tidak ditemukan adanya fasa PEG dalam sampel, yang menandakan bahwa PEG-1000 tidak ikut bereaksi dan hanya bertindak sebagai template saja.Ukuran kristal masing-masing sampel dapat ditentukan salah satunya menggunakan programMaterial Analysis Using Diffraction (MAUD) dengan data ICSD No. 82237 (a = 8,3873 Å). Tabel1 menunjukkan ukuran kristal dari masing-masing sampel. Sampel Fe 3 O 4 tanpa penambahan PEG-1000 mempunyai ukuran kristal yang lebih besar dibandingkan sampel dengan penambahan PEG-

Sintesis Nanopartikel Fe 3O 4 dengan Template PEG-1000 dan Karakterisasi Sifat Magnetiknya 31000. Dari Tabel 1 dapat pula dilihat bahwa semakin besar konsentrasi penambahan PEG-1000,semakin kecil ukuran kristal yang didapatkan.Tabel 1. Ukuran kristal masing-masing sampelSampelFe 3O 4 10,9 ± 0,3Fe 3O 4 dengan PEG 1:1 7,3 ± 0,1Fe 3O 4 dengan PEG 1:2 6,5 ± 0,1Fe 3O 4 dengan PEG 1:4 7,5 ± 0,1Ukuran Partikel (nm)Tabel 2. Nilai rata-rata ukuran kristal Fe 3O 4 dengan penambahan PEG-400 [3]PEG – 400 Ukuran Rata-rata Kristal (nm)(mol)0,023 9,4 ± 3,50,050 11,5 ± 2,40,075 16,3 ± 5,1Hasil ini jauh berbeda dengan penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya, yaitu denganpenambahan PEG-400 [3]. Pada penambahan PEG-400 menyebabkan ukuran kristal Fe 3 O 4semakin besar. Perbedaan hasil ini kemungkinan diakibatkan oleh banyaknya rantai yangterkandung dalam masing-masing PEG. PEG-400 yang mempunyai berat molekul rata-rata 400g/mol mempunyai derajat polimerisasi sebesar 9 sedangkan PEG-1000 dengan berat molekul ratarata1000 g/mol mempunyai derajat polimerisasi sebesar 23. Derajat polimerisasi menyatakanbanyaknya jumlah mer atau panjang rantai yang terkandung dalam PEG. Sehingga, PEG-1000mempunyai rantai yang lebih panjang dibanding PEG-400. Panjang rantai ini menyebabkansemakin banyak partikel Fe 3 O 4 yang terjebak di dalam rantai PEG sehingga pertumbuhan kristalterbatasi atau terhalangi. Karena pertumbuhanya terhambat, ukuran kristal Fe 3 O 4 semakin kecil.Pada penelitian sebelumnya, pembuatan nanopartikel Fe 3 O 4 juga dilakukan dengan perbandinganvolume PEG-1000 dengan H 2 O. Agar diperoleh ukuran yang efektif atau pembentukannya tidakmenurun, konsentrasi pembentukan maksimumnya diperoleh dengan perbandingan 1:3. Hal inidiakibatkan viskositas yang tinggi dengan kandungan PEG yang tinggi. Penambahan PEG-1000menghasilkan nanopartikel Fe 3 O 4 yang berbentuk nanorod dengan diameter 200 nm denganpanjang 2-3 µm [5].PEG-1000 berpengaruh terhadap distribusi ukuran partikel Fe 3 O 4 . Hal ini disebabkan PEG-1000yang berfungsi sebagai template juga berperilaku sebagai surfaktan. Surfaktan merupakan senyawayang mempunyai dua ujung, yang satu bersifat hidrofilik atau suka air dan ujung yang lain bersifathidrofobik atau penolak air. PEG yang merupakan sebuah oligomer yang mempunyai rantaiseragam pendek, dapat dengan mudah diserap pada permukaan koloid metal oksida. Salah satuujung rantai PEG yang bersifat hidrofilik akan menempel pada permukaan koloid magnetit danujung yang bersifat hidrofobik bebas. Pelapisan oleh PEG pada permukaan koloid menyebabkanpertumbuhan terhambat karena ruang gerak partikel terhalang oleh adanya PEG. PenambahanPEG-1000 juga menyebabkan persebaran ukuran kristalnya terlihat lebih monodispersedibandingkan partikel tanpa penambahan PEG-1000 yang mempunyai persebaran ukuran kristallebih polidisperse dalam Gambar 2.

4 Febie Angelia Permana dkkGambar 2. Distribusi ukuran kristal menurut data XRD sampel Fe 3O 4 tanpa PEG-1000, dandengan penambahan PEG : 1:1, 1:2, dan 1:4.Gambar 3 menunjukkan foto TEM dari masing-masing sampel. Dari gambar tersebut dapat dilihatbahwa semua sampel memiliki morfologi yang sama yaitu bulat (spherical). Hal ini berbedadengan hasil penelitian sebelumnya [5] yang berbentuk nanorod. Hasil ini mungkin disebabkanseluruh permukaan nanopartikel Fe 3 O 4 terlapisi sempurna oleh PEG-1000, sehinggapertumbuhannya terbatasi ke segala arah.(a) (b) (c) (d)Gambar 3. Foto TEM sampel Fe 3O 4 dengan : (a) tanpa PEG-1000, dan penambahan PEG : (b)1:1, (c) 1:2 (d) 1:4.Sifat magnetik Fe 3 O 4 hasil pengukuran dengan VSM ditunjukkan dari Gambar 4. Dari gambartersebut dapat dilihat bahwa partikel Fe 3 O 4 dengan dan tanpa penambahan PEG-1000 tergolongmagnet lunak, karena dari kurva histeresis mempunyai urut balik yang hampir simetris ketikadikenai medan magnet maupun ketika medan magnet ditiadakan. Atau dapat dilihat dari luasankurva histeresis yang sempit. Luasan kurva histeresis menunjukkan energi yang diperlukan untukmegnetisasi. Pada magnet lunak, untuk magnetisasi memerlukan energi yang sangat kecil. DariGambar 4 dapat dilihat juga bahwa dengan atau tanpa penambahan PEG-1000, nanopartikel Fe 3 O 4tetap bersifat ferimagnetik; meskipun ukuran kristalnya di bawah 10 nm, yang dimungkinkanberubah sifatnya menjadi superparamagnetik ditinjau dari ukurannya. Suatu bahan dapat dikatakanbersifat superparamagnetik jika memiliki nilai H c yang sangat kecil (~0). Sementara itu, nilai H cdari masing-masing sampel dalam sintesis ini masih cukup besar.

Sintesis Nanopartikel Fe 3O 4 dengan Template PEG-1000 dan Karakterisasi Sifat Magnetiknya 5Nilai magnetisasi remanen partikel Fe 3 O 4 tanpa penambahan PEG-1000 sebesar 18,1 emu/gr, lebihtinggi dibandingkan Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-1000. Hasil ini juga berbeda dengan nilaimagnetisasi remanen Fe 3 O 4 dengan penambahan PEG-400 yang besarnya 12,5 emu/gr [6] yangmempunyai ukuran kristal yang lebih besar dibandingkan dengan penambahan PEG-1000. Untuklebih jelasnya nilai medan koersivitas dan magnetisasi remanen dari masing-masing sampelberdasarkan Gambar 4 dapat dilihat pada Tabel 3.Gambar 4. Kurva histeresis Fe 3O 4 tanpa dan dengan penambahan PEG-1000Tabel 3. Nilai magnetisasi saturasi (M s), medan koersivitas (H c) dan magnetisasi remanen (M r)untuk masing-masing sampelSampelH c(Oe)M r(emu/gr)Fe 3O 4 -84 18,1Fe 3O 4 dengan PEG 1:1 -100 15,7Fe 3O 4 dengan PEG 1:2 -99 13,3Fe 3O 4 dengan PEG 1:4 -97 13,7Nilai medan koersivitas dan magnetisasi remanen dari partikel Fe 3 O 4 tanpa penambahan PEG-1000 berbeda dibandingkan dengan penambahan PEG-1000 menghasilkan kecenderungan yangberlawanan. Perbedaan ini cukup menarik mengingat ada sejumlah faktor yang menentukan secarasimultan. Dalam penelitian ini sifat magnetik belum dibahas secara tuntas dan masih memerlukankajian yang lebih mendalam. Namun demikian, jelas bahwa kekuatan magnetik partikeldipengaruhi oleh ukurannya.4. KesimpulanPembuatan nanopartikel Fe 3 O 4 dengan metode kopresipitasi menghasilkan partikel dengan ukuran10,9 ± 0,3 nm. Penambahan PEG-1000 berpengaruh terhadap ukuran partikel yang dihasilkan.Penambahan PEG-1000 menyebabkan ukuran nanopartikel Fe 3 O 4 menjadi lebih kecil sekitar 6,5 ±0,1 nm. Medan koersivitas dan magnetisasi remanen nanopartikel Fe 3 O 4 menurun denganmenurunya ukuran kristal dengan kecenderungan yang masih memerlukan kajian lebih lanjut.

6 Febie Angelia Permana dkkUcapan terima kasihSebagian dari penelitian ini dibiayai oleh Hibah Tim Pascasarjana, DP2M – DIKTI, tahun 2009 –2010. Para penulis mengucapkan terima kasih kepada Dr. H. Sosiati untuk bantuan teknispengukuran dengan TEM.Daftar Pustaka1. Y. Aiguo, Journal Alloys and Compound 458 (2008) 487.2. D. E. Zhang, et al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials 292 (2005) 491.3. M.A. Baqiya, T. Heriyanto, D. Kurniawan, M. Anwar, Darminto, Jurnal Sains MateriIndonesia, 102 – 105, Oktober 2007.4. D.M. Arisandi, D. Kurniawan, T. Hariyanto, Darminto, Pengaruh jenis surfaktan pada sifatmagnetik fluida magnetik berbasis pasir besi dan aplikasinya untuk pelapisan, ProsidingSeminar Fisika dan Aplikasinya 2007, Jurusan Fisika FMIPA ITS, Surabaya, p. B3-1.5. H. Kai, C-Y. Xu, L. Zhen, e-Z. Shao, Materials Letters 61 (2007) 303.6. M. A. Baqiya dan Darminto, Jurnal Sains Materi Indonesia, 74 – 77, Desember 2009.

Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 7 – 14© Jurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranSEL-SURYA POLIMER: STATE OF ART DAN PROGRES PENELITIANNYA DIUNIVERSITAS PADJADJARANAYI BAHTIAR † , ANNISA APRILIA, FITRILAWATIJurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas PadjadjaranJl. Raya Bandung-Sumedang KM 21Jatinangor, Indonesiaditerima 3 November 2010revisi 9 Februari 2011dipublikasikan 28 Februari 2011Abstrak. Sel-surya merupakan suatu piranti untuk mengkonversi energi matahari menjadi energi listrik.Perkembangan penelitian dan aplikasi sel-surya sebagai sumber energi listrik utama dimasa mendatangsangat pesat, seiring berkurangnya sumber energi listrik berbahan bakar fosil dan masalah pencemaranlingkungan. Sel-surya berbahan polimer semikonduktor atau sel-surya plastik merupakan salah satu kandidatsel-surya masa depan, karena menawarkan kemudahan dalam proses sintesis bahan, fabrikasi, ringan dandapat diproduksi secara masal dan berbiaya murah. Sampai saat ini efisiensi sel-surya polimer mencapai 6–7% berbasis konsep bulk-heterojunction atau blend polimer dan fuleren, baik struktur tunggal maupuntandem. Efisiensi ini masih relatif rendah dan perlu ditingkatkan untuk produksi masal dan komersialisasi.Dalam makalah ini, akan dibahas tentang perkembangan sel-surya polimer di dunia dan progres penelitiansel-surya polimer di Jurusan Fisika Universitas Padjadjaran. Penelitian telah dimulai tahun 2009, berbasisbulk-heterojunction polimer poli(3-heksiltiofen, P3HT) dan turunan fuleren ([6,6]-phenyl-C61-butyric acidmethyl ester, PCBM) sebagai bahan aktif sel-surya. Berbagai pendekatan dilakukan untuk meningkatkankinerja sel-surya berupa aniling termal, penyisipan lapisan tipis optical spacer dan penambahan molekuladitif dalam bahan aktif.Kata kunci : sel-surya polimer, bulk-heterojunction, optical spacer, molekul aditifAbstract. Solar cell is a device for converting sunlight into electricity. Research development andapplication of solar cells for electricity source grows very fast, due to a decreasing of fossil energy sourcesand environmental problems. Semiconducting polymer solar cells or plastic solar cells become a promisingcandidate for future solar cells, because it offers the easy-ways of synthetic materials, fabrication process,lightweight, and it can be fabricated with mass and low cost production. Currently, 6–7% efficiency isachieved for polymer solar cells based on bulk-heterojunction concept or blend polymer with fullerene usingboth single and tandem structure. However, this efficiency is still low and need to be improved for massproduction and commercialization. In this paper, we discuss the state of the art of polymer solar cells and itsresearch progress at Department of Physics Universitas Padjadjaran. Our research on polymer solar cells hasbeen started since 2009 using bulk-heterojunction of polymer poly(3-hexylthiophene, P3HT) and fullerene’sderivative fullerene ([6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM) as an active material layer. Severalapproaches such as thermal annealing, insertion of thin optical spacer layer, and addition of additivemolecule into active layer have been applied to improve the performance of solar cellsKeywords : polymer solar-cell, bulk-heterojunction, optical spacer, additive molecule1. PendahuluanSemakin meningkatnya kebutuhan dan konsumsi energi listrik di Indonesia dan semakin mahalnyaharga bahan bakar minyak (BBM) dunia, mengakibatkan pasokan listrik di Indonesia semakintersendat. Perusahaan Listrik Negara (PLN), yang menyediakan pasokan energi listrik di Indonesiatelah menerapkan kebijakan pemadaman begilir dan penghematan penggunaan energi listrik untukmengurangi beban daya PLN. Oleh karena itu, perlu dipikirkan pencarian sumber energi listrikalternatif yang dapat digunakan secara massal dan berbiaya murah. Dalam 30 tahun mendatang,sumber energi dari bahan fosil semakin berkurang sehingga penggunaan sumber energi alternatif,† email : ayi.bahtiar@phys.unpad.ac.id7

8 Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, Fitrilawatiseperti panas bumi, angin, biomasa, air, nuklir dan matahari semakin dibutuhkan [1]. Karenanyakajian intensif pengembangan, penggunaan dan manajemen sumber energi listrik selain fosil,sangat mendesak untuk segera dilakukan.Sel-surya merupakan salah satu cara yang paling efektif untuk mengkonversi energi mataharimenjadi energi listrik, karena tidak memerlukan generator dan dapat ditangani secara individu.Perkembangan industri pembuat modul sel-surya di dunia pun sangat meningkat tajam (46%) daritahun 2000 dan mencapai 1200 MW pada tahun 2004 dan terus berkembang sampai 30 tahun kedepan dan pada tahun 2020 diharapkan bisa menghasilkan daya 200 GW [2]. Jumlah daya inisama dengan daya yang dihasilkan oleh Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) sebanyak 200buah.Dewasa ini, material aktif untuk sel-surya umumnya adalah semikonduktor inorganik, sepertiSilikon (Si), Galium Arsenida (GaAs), Kadmiumselenium (CdSe) dan masih banyak lagi, denganefisiensi konversi bervariasi mulai dari 8% sampai 40% [2]. Namun, proses pembuatan sel-suryaberbahan aktif ini umumnya dibuat dalam bentuk film tipis menggunakan teknik efitaksi, sehinggamemerlukan biaya yang tinggi. Oleh karena itu, pemanfaatan sel-surya anorganik di Indonesiasangat minim.Tren penelitian sel-surya saat ini adalah menggunakan material organik dan polimer terkonjugasi.Polimer terkonjugasi memiliki elektron-π yang terdelokalisasi sehingga mampu menyerap sinarmatahari, membentuk pembawa-pembawa muatan, mentransport muatan-muatan tersebut danmenghasilkan listrik [3,4]. Penelitian di bidang sel-surya berbahan aktif polimer terkonjugasisangat berkembang pesat, karena menawarkan proses pembuatan yang berbiaya murah, sederhanadan dapat dihasilkan efisiensi konversi yang tinggi.Polimer poli(3-heksiltiofen) atau P3HT merupakan material yang banyak dikaji sebagai bahanaktif sel-surya polimer, karena memiliki struktur regio-reguler (RR) yang mampu menghasilkankonduktivitas listrik yang tinggi, mudah larut dalam pelarut organik biasa, dan dapat dibuat dalambentuk film tipis dengan teknik sederhana, seperti spin-coating, dip-coating, inkjet printing danroll-to-roll printing [5]. Saat ini sel-surya dengan konsep bulk-heterojunction (BHJ) campuranpolimer P3HT sebagai donor elektron dan turunan metanofuleren (PCBM) sebagai akseptorelektron banyak dikaji. Saat ini, efisiensi sel-surya mencapai 6–7% [6,7]. Efisiensi ini perluditingkatkan minimal menjadi 10% untuk produksi masal dan komersialisasi. Berbagai caradilakukan untuk meningkatkan efisiensi sel-surya BHJ, diantaranya, penggunaan polimer baru [7],kontrol morfologi lapisan aktif [8] dan optimasi struktur [6,7].Dalam makalah ini, dibahas perkembangan penelitian sel-surya yang dilakukan di Jurusan FisikaUniversitas Padjadjaran, juga berbagai upaya untuk meningkatkan efisiensi melalui aniling termal,penyisipan lapisan optical spacer dan penambahan molekul aditif dalam bahan aktif untukmengontrol morfologi lapisan aktif.2. EksperimenPolimer regioregular poli(3-heksiltiofen) (RR > 90%) dan turunan metanofuleren PCBM (strukturkimia, ditunjukkan pada Gambar 1), digunakan sebagai bahan aktif sel-surya. Kedua materialdiperoleh dari Sigma Aldrich, yang digunakan langsung tanpa purifikasi.

Sel Surya Polimer: State of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas Padjadjaran 9Gambar 1. Struktur kimia polimer P3HT dan PCBMSel-surya dibuat dengan struktur Gelas/ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PCBM/Al, seperti ditunjukkanpada Gambar 2. Lapisan ITO berfungsi sebagai anoda, lapisan PEDOT:PSS berfungsi sebagaiinjeksi lubang (hole) dan lapisan Al sebagai katoda. Dalam eksperimen, kami menggunakancampuran P3HT dan PCBM dengan rasio 1:1.-+P3HT:PCBMPEDOT-PSSGelasITOPCBMP3HTGambar 2. Struktur sel-surya polimer dengan bahan aktif campuran P3HT dan PCBM.Untuk sel-surya yang diberikan perlakuan aniling termal, sebanyak 10 mg P3HT dilarutkan dalam1 ml klorobenzen dan diaduk sampai larutan homogen. 10 mg PCBM juga dicampur dengan 1 mlklorobenzen diaduk sampai homogen. Kedua larutan, kemudian dicampurkan dan diaduk selama18 jam pada temperature 50 °C, sehingga rasio akhir P3HT:PCBM adalah 1:1. Sebelum digunakan,larutan difilter dengan syringe-filter 0,45 µm. Film tipis dibuat menggunakan spin coater dengankecepatan 800 rpm selama 20 detik. Film tipis kemudian dianil dengan suhu 150 °C di dalam ovenyang divakumkan selama 30 menit. Aniling termal merupakan teknik umum yang digunakanuntuk mengembalikan keteraturan atau kristalinitas polimer P3HT yang terganggu akibatkehadiran PCBM [9]. Lapisan Alumunium (Al) dibuat dengan teknik evaporasi termal. Sifat optikfilm tipis diukur dengan menggunakan spektroskopi UV-Vis. Karakteristik sel-surya diukurdengan mengukur arus listrik dari piranti ketika diberi tegangan panjar maju. Sebagai sumbercahaya, digunakan lampu Halogen atau Xenon.Untuk sel-surya yang menggunakan lapisan tipis optical spacer, kami menggunakan lapisantitanium sub-oksida (TiO X ) yang disisipkan di antara lapisan aktif dan lapisan Alumunium.Lapisan TiO X dibuat dengan teknik spin-coating, sedangkan material TiO X dibuat dengan tekniksol-gel suhu rendah [7]. Lapisan TiO X dispin-coating di atas lapisan aktif, kemudian dianil padasuhu 150 °C selama 30 menit.Untuk sel-surya yang menggunakan molekul aditif sebagai campuran pada pelarut bahan aktif,digunakan molekul 1,8-diiodooktan (DIO). Sebanyak 3% molekul aditif DIO dicampurkan denganlarutan P3HT:PCBM dalam klorobenzen yang sudah diaduk hingga homogen. Larutan difilter

10 Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, Fitrilawatidengan syringe filter 0,45 µm, sebelum dibuat film tipis. Struktur sel-surya yang dibuat adalahseperti yang diperlihatkan pada Gambar 2. Ada 3 sampel sel-surya yang dibuat yaitu sel-suryatanpa perlakuan aniling termal (Sampel A), dianil termal pada suhu 100 °C selama 30 menit(Sampel B), dan sel-surya yang dianil termal pada suhu 100 °C selama 30 menit (Sampel C).3. Hasil dan Pembahasan3.1. Sel-Surya dengan Aniling TermalKurva karakteristik sel-surya dengan lapisan aktif blend P3HT:PCBM (1:1) yang dianil termalpada suhu 150 °C dalam keadaan disinari dengan lampu Xenon dengan intensitas 177 mW/cm 2ditunjukkan pada Gambar 3. Luas area sel-surya adalah 4 mm 2 .J [µA/cm 2 ]10864GelapDisinari200.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5-2-4-6V [Volt]Gambar 3. Kurva karakteristik sel-surya dalam keadaan gelap dan disinari.Dari kurva karakteristik arus-tegangan di atas, diperoleh parameter-parameter sebagai berikut:tegangan hubung-terbuka, V OC = 0,3 Volt, rapat arus hubung singkat, J SC = 5,275 µA/cm 2 , rapatarus pada daya maksimum, J MPP = 4,675 µA/cm 2 , tegangan pada daya maksimum, V MPP = 0,2 Volt,maka faktor pengisi (fill-factor, FF) dan efisiensi konversi (η) diperoleh 0,59 dan 0,0005%,berdasarkan persamaan :Vη =OCIFF =I*IPMPPSCSCin*V*V*FFMPPOC(1)(2)Nilai efisiensi konversi ini masih sangat kecil dibandingkan dengan efisiensi yang saat ini dicapaipada sel-surya P3HT:PCBM, yaitu 5%. Hal ini diakibatkan oleh nilai tegangan terbuka V OC yanglebih kecil dari seharusnya yaitu ~0,63 Volt. Arus yang kecil diakibatkan oleh tingginya nilaihambatan seri dari sel-surya, yang berasal dari belum optimumnya morfologi lapisan aktif danmasalah homogenitas antarmuka (interface) antar lapisan di dalam sel-surya. Di samping itu, selsuryaini dibuat dalam lingkungan yang lembab, sehingga mengakibatkan penetrasi oksigen kedalam lapisan aktif selama spin-coating dan evaporasi Alumunium. Akibatnya elektron-elektronyang dihasilkan oleh proses fotogenerasi akan diserap, sehingga arus listrik yang sampai ke katoda

Sel Surya Polimer: State of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas Padjadjaran 11(Al) kecil. Faktor lainya yang menyebabkan rendahnya efisiensi adalah nilai FF yang kecil. NilaiFF yang kecil diakibatkan oleh degradasi sel-surya selama pengukuran. Hasil pengukuran padasel-surya pristin tanpa diberikan tegangan panjar maju, diperoleh rapat arus J SC = 37,5 µA/cm 2 .Namun arus listrik terus berkurang selama pengukuran akibat degradasi karena foto-oksidasipolimer. Efek degradasi ini menjadi perhatian khusus bagi sel-surya polimer, karena penguranganpanjang konjugasi polimer akibat oksidasi sehingga arus yang mengalir menjadi berkurang.Dengan menggunakan teknik enkapsulasi, kelompok N.S. Sariciftci dkk [10] berhasil membuatsel-surya polimer blend MDMO-PPV:PCBM, dan kelompok Brabec dkk dari Konarka dengan selsuryablend P3HT:PCBM tanpa mengalami penurunan efisiensi dalam waktu 1 tahun yang diujicoba diatas atap gedung [11]. Salah satu cara untuk mengatasi efek degradasi, di sampingenkapsulasi, juga sebaiknya pembuatan sel-surya dan pengukuran karakteristiknya dilakukan didalam Glove-Box yang dialiri gas Nitrogen, sehingga efek oksidasi dapat dikurangi. Di sampingitu, arus yang kecil dapat diakibatkan oleh kontak yang buruk antara lapisan aktif dan katoda.3.2. Sel-Surya dengan Lapisan Optical Spacer TiOXGambar 4 memperlihatkan pengaruh penyisipan lapisan tipis optical spacer TiO X terhadapparameter-parameter sel-surya: V OC , J SC , FF dan η. Efisiensi sel-surya yang disisipi lapisan TiO Xlebih tinggi daripada sel-surya tanpa lapisan TiO X [12]. Hal ini menunjukkan bahwa penyisipanoptical spacer meredistribusi intensitas cahaya di dalam sel-surya akibat perubahan interferensioptis antara cahaya datang dan cahaya yang dipantulkan Alumunium [13], sehingga maksimumabsorpsi terjadi di dalam lapisan aktif. Akibatnya, jumlah arus fotogenerasi dan efisiensimeningkat.Namun, jika lapisan TiO X dipertebal, maka semua parameter sel-surya akan berkurang. LapisanTiOx yang lebih tebal akan menurunkan efisiensi sel-surya akibat meningkatnya resistansi seri(R S ) sel-surya. Dalam Gambar 4 jelas, bahwa kinerja sel-surya optimum jika ketebalan lapisanTiO X di bawah 10 nm. Hasil ini sesuai dengan studi sebelumnya oleh Hayakawa dkk [14], yangmengkaji efek penyisipan lapisan TiOx terhadap resistansi paralel (R P ) dan resistansi seri (R S ) selsurya,menggunakan inverse gradien dari kurva I-V pada keadaan hubung terbuka dan hubungsingkat. Hayakawa dkk menemukan bahwa penyisipan lapisan TiOx meningkatkan nilai R Psebesar 5 orde dan nilai R S hanya berubah sedikit, jika ketebalan lapisan TiOx di bawah 10 nm.Dengan demikian, meningkatnya nilai V OC akibat dari meningkatnya nilai resistansi paralel.3.3. Sel-Surya dengan Molekul AditifSpektra absorbansi lapisan tipis P3HT murni dan P3HT:PCBM yang ditambahkan 3% volumemolekul aditif 1,8-diiodooktan (DIO) tanpa perlakuan dan dengan perlakuan aniling termal 100 °Cdan 150 °C selama 30 menit di dalam oven vakum, ditunjukkan pada Gambar 5. Pada spektrumfilm tipis P3HT murni, terdapat puncak-puncak vibronik pada panjang gelombang 515 nm dan 550nm, yang merupakan transisi π−π* dan pada 600 nm yang merupakan ciri dari adanya agregat atauinteraksi antar rantai polimer. Munculnya puncak-puncak ini mengindikasikan bahwa polimerP3HT membentuk struktur kristal berbentuk lamela [15].

12 Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, FitrilawatiV o c (m V )86(a )FF0.30.2(b)0.140 20 40 60 80d (T iO x ) [n m ]0 20 40 60 80d (T iO x ) [n m ]J sc (m A /cm 2 )0.30.20.1(c )[× 10 - 5 ]Efisiensi (% )10.80.60.4(d)0.20 20 40 60 800 20 40 60 80d (T iO x ) [nm ]d (T iO x ) [n m ]Gambar 4. Grafik efek ketebalan lapisan TiO X terhadap parameter sel-surya (a). V OC, (b). FF, (c).J SC, (d) efesiensi0.25 P3HT murnisetelah spin-coatinganiling 100 0 C0.20aniling 150 0 COD [a.u.]0.150.100.050.00300 400 500 600 700λ [nm]Gambar 5. Spektra absorbansi film tipis P3HT murni, film tipis P3HT:PCBM (1:1) yangdicampur 3% volume molekul ODT.Penambahan sedikit molekul DIO tetap mempertahankan puncak-puncak vibronik di atas,sehingga kehadiran molekul PCBM tidak menggangu kristalinitas polimer P3HT bahkan pada filmtipis tanpa perlakuan aniling termal. Hasil ini berbeda dengan film tipis tanpa molekul aditif,dimana kehadiran PCBM mengganggu kristalinitas P3HT, sehingga diperlukan aniling termaluntuk mengembalikan kristalinitas P3HT di dalam film tipis campuran P3HT:PCBM [9].Parameter-parameter sel-surya yang ditambahkan 3% molekul DIO ke dalam lapisan aktifnya(P3HT:PCBM) diperlihatkan dalam Tabel 1. Tampak bahwa penambahan ODT, meningkatkanrapat arus dan tegangan terbuka. Hal ini mungkin diakibatkan oleh separasi fasa antara P3HT danPCBM menjadi lebih jelas, sehingga meningkatkan efisiensi pemisahan eksiton dan transfermuatan [8]. Akibatnya arus listrik meningkat. Namun, untuk mengkaji lebih jauh diperlukan fotoSEM atau TEM untuk melihat morfologi lapisan aktif sel-surya. Proses aniling termal,

Sel Surya Polimer: State of Art dan Progres Penelitiannya di Universitas Padjadjaran 13menurunkan nilai dari semua parameter sel-surya yang diakibatkan oleh perubahan morfologilapisan aktif. Diperlukan kajian morfologi lebih lanjut untuk menjelaskan penurunan nilaiparameter sel-surya yang ditambahkan molekul ODT akibat aniling termal.Tabel 1. Parameter-parameter sel-surya dengan penambahan molekul 3% volume ODTSampelJ SC[mA/cm 2 ]V OC[Volt]FFA 12,5 0,58 0,29B 0,15 0,50 0,31C 0,015 0,50 0,114. KesimpulanTelah dilakukan fabrikasi sel-surya berbahan aktif campuran P3HT:PCBM dengan rasio 1:1,menggunakan beberapa perlakuan, yaitu aniling termal, penyisipan lapisan tipis optical spacerTiO X , dan penambahan molekul aditif 1,8-diiodooktan pada larutan campuran P3HT:PCBM dalamklorobenzen. Penyisipan lapisan tipis TiO X meningkatkan kinerja sel-surya akibat dari redistribusiabsorpsi cahaya sehingga maksimum absorpsi cahaya terjadi pada lapisan aktif. Ketebalanoptimum dari lapisan TiO X adalah 10 nm, jika lebih tebal menurunkan kinerja sel-surya akibatbertambahnya resistansi seri sel-surya [16]. Penambahan molekul aditif DIO mempertahankankristalinitas P3HT pada lapisan aktif P3HT:PCBM, sehingga meningkatkan kinerja sel-surya.Namun, kinerja sel-surya menurun akibat aniling termal. Perlu studi morfologi lebih lanjut, untukmenjelaskan efek penambahan molekul aditif DIO pada morfologi lapisan aktif sel-surya, sepertiseparasi fasa P3HT dan PCBM, pembentukan antar-rantai P3HT dan PCBM.Ucapan terima kasihPenulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Dikti (DIKTI) atassuport dana penelitian ini melalui Penelitian Hibah Bersaing (PHB) Tahun 2010, berdasarkan SKNo. 710/H6.26/LPPM/PL/2010. Terima kasih juga untuk Andria Kurniawan, Ahmad Rosikhinatas bantuannya dalam eksperimen.Daftar Pustaka1. W. Hoffmann, and L. Waldmann, PV Solar Electricity: From a Niche Market to One of theMost Mainstream Markets for Electricity, in High-Efficient Low-Cost Photovoltaics ; RecentDevelopment, edited by Petrova-Koch, R. Hezel, and A. Goetzberger, Berlin : Springer VerlagGmbH, 2009, pp. 29-43.2. G. Dennler, N. S. Sariciftci, and C. J. Brabec, Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells,in Semiconducting Polymers: Chemistry, Physics and Engineering, Vol I Second Edition,edited by G. Hadziioannou and G.G. Malliaras, Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, 2006, pp. 455-530.3. C.J. Brabec, N.S. Sariciftci, and J.C. Hummelen, Adv. Funct. Mater. 11, 15 - 26 (2001).4. R. D. McCullough, Adv. Mater. 10, 93 - 98 (1998).5. F. C. Krebs, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 93, 394-412 (2009).6. J. Y. Kim, K. Lee, N. E. Coates, D. Moses, T-Q. Nguyen, M. Dante, A. J. Heeger, Science 317,222-225 (2007).7. S. H. Park, A. Roy, S. Beaupre, S. Cho, N. Coates, J. S. Moon, D. Moses, M. Leclerc, K.-H.Lee, A. J. Heeger, Nat. Photonics 3, 297–302 (2009).

14 Ayi Bahtiar, Annisa Aprilia, Fitrilawati8. Y. Liang, Z. Xu, J. Xia, S.-T. Tsai, Y. Wu, G. Li, C. Ray and L. Yu, Adv. Mater. 22, E135-E138 (2010).9. A. Bahtiar, Fitrilawati, and A. Aprilia, Effect of Thermal Annealing on Optical Properties andMorphology of Thin Film of P3HT-PCBM Blend, The 7th International Symposium on ModernOptics and Its Applications, Bandung, August 12-14, (2009).10. G. Dennler, C. Lungenschmied, H. Neugebauer, N.S. Sariciftci, M. Latreche, G. Czeremuszkin,and M.R. Wertheimer, Thin Solid Films 349, 511-512 (2006).11. J. A. Hauch, P. Schilinsky, S. A. Choulis, R. Childers, M. Biele and C. J. Brabec, Sol. EnergyMater.Sol. Cells 92, 727-731 (2008).12. A. Bahtiar, A. Kurniawan, A. Rosikhin, and A. Aprilia, The Role of TiOX Interlayer onPerformance of Bulk-Heterojunction Polymer Solar Cells, Proceedings of the 5th KentinganPhysics Forum; International Conference on Physics and Its Application, 21-24 (2010).13. J. Y. Kim, S. H. Kim, H.-H Lee, K. Lee, W. Ma, X. Gong, and A. J. Heeger, Adv. Mater. 18,572–576 (2006).14. A. Hayakawa, O. Yoshikawa, T. Fujieda, K. Uehara, and S. Yoshikawa, Appl. Phys. Lett. 90,1635171-1635173 (2007).15. H. Sirringhaus, P. J. Brown, R. H. Friend, M. M. Nielsen, K. Bechgaard, B. M. W. Langeveld-Voss, A. J. H. Spiering, R. A. J. Janssen, E. W. Meijer, P. Herwig and D. M. de Leeuw, Nature401, 685-688 (1999).16. Roy, S. H. Park, S. Cowan, M. H. Tong, S. Cho, K.e Lee, and A. J. Heeger, Appl. Phys. Lett.95, 0133021 – 0133023 (2009)

Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 15 – 21© Jurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranREALISASI DAN ANALISIS SUMBER ENERGI BARU TERBARUKAN NANOHIDRODARI ALIRAN AIR BERDEBIT KECILWARSITO † , SRI WAHYU SUCIYATI, D WAHYUDI, WILDAN KHOIRONJurusan Fisika, Fakultas MIPAUniversitas LampungJl. Sumantri Brojonegoro 1 Bandar Lampung 35145diterima 1 November 2010revisi 11 Pebruari 2011dipublikasikan 28 Pebruari 2011Abstrak. Telah direalisasi sumber energi baru terbarukan dengan sistem nanohidro berdaya 2.34Wmenggunakan kincir tipe Francis dengan debit air maksimum 0.87 × 10 -3 m 3 /s dan ketinggian head 1,5 m.Agar didapatkan kecepatan putar optimal dari generator yang digunakan, maka transmisi daya putar darikincir menggunakan 2 buah pulley dengan diameter masing-masing 0.19 m dan 0.015 m serta 1 buah beltyang panjangnya 70 cm dan lebar 4 mm. Secara teori, generator yang digunakan merupakan generatormagnet permanen 3 pasang kutub yang mempunyai kecepatan putar optimal 2400 rpm dengan tegangankeluaran 12/15 V dan kapasitas daya keluaran maksimum 6 W. Daya optimum yang dihasilkan adalah 2.34W untuk generator dengan kecepatan sebesar 2333 rpm. Dengan data ini, kita dapat menghitung efisiensigenerator sebesar 40.12 %. Daya keluaran selanjutnya dimanfaatkan untuk mengisi akumulator 12 V.Kata kunci : energi terbarukan, nanohidro, akumulatorAbstract. It has been realized a renewable energy source by nanohydro system with 2.34 W power outputusing Francis wheel type with water flow debit of 0.87 × 10 -3 m 3 /s and head elevation of 1.5 m. In order to beobtained a generator optimum power output, we use a transmission system of wheel rotation using twopulleys with diameter of 0.19 m and 0.015 m and a belt with the size of 0.70 m length and 0.004 m width totransmit the rotation power from the wheel to the generator. Generator used in this study has three permanentmagnets, 2400 rpm maximum rotation, 12/15 V voltage output and 6 W maximum power output. Theoptimum power output obtained in this study is about 2.34 W with the generator rotation of 2333 rpm. Usingthis result, we can find the generator efficiency is about 40.12 %. Finally, the power output is used torecharge the 12 V accumulator.Keywords: renewable energy, nanohydro, accumulator1. PendahuluanKebutuhan energi akan selalu meningkat sebagai fungsi pertumbuhan jumlah penduduk. Untukenergi konvensional seperti migas, tingginya kebutuhan apabila tidak diimbangi dengan kapasitasproduksinya menyebabkan kelangkaan sehingga terjadi kenaikan harga dan krisis energi [1].Salah satu usaha pemerintah yang terkait dengan kebijakan energi tersebut adalah denganmengembangkan dan meningkatkan keanekaragaman energi termasuk energi yang sangat potensialsaat ini dan di masa yang akan datang. Berdasarkan Rencana Umum Ketenagalistrikan Nasional(RUKN/National Electricity Plan), prosentase penduduk Indonesia yang belum berlistrik 36 %dan desa belum berlistrik 35 % [2]. Hal ini menunjukkan pentingnya pengembangan bidang energiterbarukan.Sistem mikrohidro atau nanohidro sebagai salah satu sumber energi baru terbarukan, dapatmemberikan manfaat yang besar bagi masyarakat dalam memenuhi energi listrik tanpa harus† email : warsito@unila.ac.id15

16 Warsito dkkmengeluarkan biaya tinggi untuk sistem transmisi daya atau perawatan lingkungan secara umumkarena implementasi sistem terintegrasi dengan pemanfaatannya [3].Dalam konsep Fisika bahwa energi tidak dapat dimusnahkan oleh karena itu tentu energi setelahdigunakan tentu menjadi sumber energi lain yang baru. Konsep dasar dari penelitian ini adalahbahwa hukum kekekalan energi yaitu energi bersifat kekal, tidak bisa dimusnahkan, tetapiberpindah dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi lainnya. Maka untuk memahami konsepini, yang terpenting adalah menciptakan energi awal sebagai pemicu (trigger), selanjutnya energilain dapat dihasilkan dari energi tersebut, demikian seterusnya energi akan berputar.Pemanfaatan tenaga air sebagai pembangkit listrik mempunyai bermacam-macam tingkatannya;Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA) dengan daya keluaran di atas 0,5 MW, sistem mikrohidrosekitar 1–500 kW, sistem nanohidro dengan daya keluaran di bawah 1 kW. System nanohidrodapat direalisasi menggunakan aliran air pada pipa dengan diameter 2–6 inch [4] danperkembangannya hingga kini dapat direalisasi menggunakan pipa berdiameter mulai dari ½ inch.Parameter utama penentu tingkat daya keluaran sistem tenaga air tersebut adalah debit air danketinggian air jatuh [3] sesuai dengan persamaan berikut :P = g × Q × h ×η × ηtg(1)denganh : head efektif (m)Q : debit air (m 3 /s)η t : efisiensi turbinη g : efisiensi generatorg : gravitasi (10 m/s 2 )Besarnya nilai efisiensi turbin adalah η t = 82 % untuk Turbin Pelton, η t = 84 % untuk TurbinFrancis, η t = 77 % untuk Turbin Crossflow dan η t = 84 % untuk Turbin Tubular tipe S.Penelitian yang banyak dilakukan saat ini adalah pemanfaatan energi air dalam skala mikrohidro10–100 kW yang berasal dari saluran irigasi [5,6]; atau sistem mikrohidro pada umumnya [7,8,9].Sistem sejenis juga telah dilakukan oleh Takane dan Hiromaro [10] dengan memanfaatkan aliranair sungai kecil dan dihasilkan efisiensi turbin sebesar 25–30 %.Pada penelitian ini telah didesain dan direalisasi energi listrik nanohidro menggunakan kincir tipeFrancis yang bersumber pada aliran sungai berdebit kecil 0,87 × 10 -3 m 3 /s dengan ketinggian head1,5 m.2. MetodeTahap awal yang dilakukan pada penelitian ini adalah melakukan studi tentang potensi aliran airuntuk mengetahui tipe kincir yang digunakan. Hasil studi ini menunjukkan bahwa potensi aliranmempunyai head setinggi 1,5 m sehingga tipe kincir yang tepat adalah tipe Francis. Desain sistemnanohidro tampak seperti pada Gambar 1.Dari Gambar 1, aliran air dari sungai kecil ditampung dalam bak penstock (A) yang selanjutnyadialirkan menuju kincir tipe Francis (C) melalui pipa pesat (B). Selanjutnya putaran kincir

Realisasi dan Analisis Sumber Energi Baru dan Terbarukan Nanohidro dari Aliran Air Berdebit Kecil 17dihubungkan ke generator (D) menggunakan belt. Untuk menghasilkan putaran optimal padagenerator, maka dilakukan analisis sistem konversi gir secara integral. Tujuan utama dari tahap iniadalah mendapatkan nilai putaran optimal pada titik generator dan mendapatkan daya putar yangoptimal.Tahapan selanjutnya adalah analisis secara integral dari sistem nanohidro yang meliputi dayakeluaran generator sebagai fungsi kecepatan putar (rpm) dari generator. Pengukuran kecepatanputar generator menggunakan tachometer analog, dengan mendapatkan nilai kecepatan putargenerator ini maka dapat dianalisis efisiensi (η sistem ) secara keseluruhan.Gambar 1. Desain sistem nanohidro3. Hasil dan PembahasanAnalisis Pemilihan Jenis TurbinAnalisis pemilihan turbin didasarkan oleh data-data yang diambil secara teknis yangmemperhitungkan faktor tinggi jatuhan air efektif (Net Head) dan debit yang akan dimanfaatkanuntuk operasi turbin. Dari data dan analisis perhitungan tinggi jatuhan air efektif yang didapatkanadalah sebesar 1.5m dengan debit air maksimum 0,87 x 10 -3 m 3 /s. Ketinggian 1,5m digolongkanke dalam kategori ketinggian rendah, sehingga turbin yang dipilih adalah turbin reaksi jenisFrancis [11].Analisis Transmisi Daya MekanikPerancangan sistem nanohidro yang sudah dilakukan, menggunakan turbin Francis dan generatorjenis magnet permanent 1 phase dengan 3 pasang kutub dan transmisi daya mekanik dengan rasiopulley 12,67 kali. Pulley berfungsi untuk menaikkan putaran sehingga putaran generator sesuaidengan putaran daerah kerjanya. Agar didapatkan kecepatan putar sesuai dengan yang dibutuhkan,maka transmisi daya menggunakan 2 buah pulley dengan diameter masing-masing 19 cm dan 1,5cm serta 1 buah belt yang panjangnya 70 cm dan lebar 4 mm. Belt berfungsi untuk menyalurkandaya dari poros turbin ke poros generator.Daya mekanik disalurkan secara satu tahap, pulley yang berdiameter 19 cm yang dipasang padaporos turbin dihubungkan dengan pulley yang berdiameter 1,5 cm yang terpasang pada generator.Penyaluran daya hasil putaran dari turbin tersebut mampu menaikkan kecepatan putar sebanyak12,67 kali pada poros generator.

18 Warsito dkkAnalisis Pengujian Turbin yang Terhubung dengan Generator menggunakan aliran air daripipa ½ inchPada perancangan nanohidro yang sudah dilakukan memakai turbin reaksi sebagai pengkonversienergi potensial yang dimiliki oleh air menjadi energi mekanik dan generator ac yang mengubahenergi mekanik menjadi energi listrik. Pada penelitian ini, di ujung pipa pesat dipasang sebuahkran yang berfungsi untuk mengatur debit air untuk menggerakan turbin. Ada tiga posisi padapengaturan debit air, yaitu posisi 3 dimana kran terbuka penuh, posisi 2 kran terbuka sekitar ¾ danposisi 1 kran terbuka sekitar ½. Pengukuran debit di lakukan dengan cara menampung air padasebuah ember dalam waktu tertentu. Hasil pengujian pengaruh posisi kran terhadap debit airterlihat pada Tabel 1.Tabel 1. Pengaruh posisi kran terhadap debit airPosisiKranWaktut (s)Volume(L)DebitQ (m 3 /s)3 23 20 0,87 × 10 -32 34 20 0,59 × 10 -31 45 20 0,44 × 10 -3Data pada Tabel 1 menunjukkan bahwa posisi kran berpengaruh terhadap debit air yang akanmenggerakan turbin, sehingga dengan berkurangnya debit air mengakibatkan berkurangnyaputaran. Pada posisi kran terbuka penuh (100 %) waktu yang dibutuhkan untuk mengisi emberdengan volume 20 l adalah 23 detik, pada posisi 1 dan 2 dengan volume yang sama dibutuhkanwaktu yang lebih lama untuk mengisi penuh ember.Debit air akan berpengaruh terhadap putaran yang dihasilkan oleh turbin. Pengujian pengaruhturbin terhadap putaran turbin di lakukan dengan tiga debit air yang berbeda yang dihasilkan olehperubahan posisi kran. Semakin besar debit air maka putaran turbin yang dihasilkan akan lebihbesar apabila dibandingkan denngan debit air yang lebih sedikit. Pengukuran putaran pada turbinmenggunakan alat pengukur putaran yaitu tachometer. Pengaruh putaran turbin terhadap teganganyang dihasilkan oleh generator, debit air mempengaruhi kecepatan putaran turbin dan selanjutnyasemakin cepat putaran turbin tegangan keluaran akan semakin tinggi pula (Gambar 2).Gambar 2. Pengaruh putaran turbin terhadap tegangan keluaran generatorPengujian selanjutnya adalah melakukan uji pemberian beban yang dilakukan sebanyak 3 kaliperubahan, yaitu menggunakan lampu 6 W 12 volt dan hambatan yang terukur adalah 25 Ω.Sedangkan total hambatan untuk sistem secara terpasang (lampu dan juga tachometer), adalah 125

Realisasi dan Analisis Sumber Energi Baru dan Terbarukan Nanohidro dari Aliran Air Berdebit Kecil 19Ω. Jika pembebanan dilakukan secara seri antara lampu dan tacho, hambatan yang terukur adalah145 Ω. Data hasil pengujian pembebanan terlihat pada Tabel 2.Analisis generator dan kecepatan putarPada penelitian ini telah dibuat sistem nanohidro yang diputar oleh mini turbin tipe Francis.Generator yang digunakan merupakan generator magnet permanen 3 pasang kutub yangmempunyai kecepatan putar optimal 2400 rpm (rotation per minute / putaran per menit) dengantegangan keluaran 12/15 V dan kapasitas daya 6 W. Keluaran dari generator berupa tegangan arusbolak balik yang kemudian disimpan dalam akumulator. Sebelum disimpan pada akumulatortegangan tersebut disearahkan terlebih dahulu menggunakan dioda.Generator ini terdiri dari magnet yang berputar atau disebut rotor dan kumparan yang diam ataudisebut stator. Untuk mengetahui tegangan generator yang digunakan pada pengisian akumulator,dilakukan pengujian menggunakan motor sebagai penggerak generator dengan sebuah dimmersebagai pengatur kecepatannya.Tabel 2. Data Hasil Perubahan Beban Terhadap Tegangan KeluaranBeban Arus TeganganV Daya KM/HR (Ω) I (A) (Volt) P (Watt)25 0,33 4,7 1,551 60120 0,12 8,75 1,05 75145 0,13 9,5 1,235 85Gambar 3. Grafik tegangan keluaranTegangan yang keluar dari generator yang sudah disearahkan oleh dioda diukur menggunakanmultimeter digital dan kecepatannya diukur menggunakan tachometer. Rotor generator yangdiputar tersebut menghasilkan tegangan yang bervariasi sebagai fungsi kecepatan putar yang jugaberubah-rubah pula. Untuk mendapatkan nilai kuat arus dari keluaran generator diperlukan beban(R) yang telah diketahui nilainya, sehingga diperoleh daya yang dapat dihasilkan oleh generator.Gambar 3 merupakan grafik hasil pengukuran tegangan keluaran generator dengan variasikecepatan di mulai dari 1050–2333 rpm dengan beban resistor 100 Ω dan diperoleh hasil berupategangan dan kuat arus.Nilai tegangan yang dihasilkan oleh generator tergantung pada kecepatan putaran yang diberikanpada generator tersebut. Semakin besar kecepatannya maka akan menghasilkan tegangan yangsemakin besar. Dari grafik pada Gambar 3 diperoleh persamaan V out= 0,005v−3.85 dengan

20 Warsito dkkkemiringan (slope) = 0,005 dan sensibilitas generator yaitu dV dv = 0,005(Volt/rpm)artinyagenerator yang digunakan mengalami kenaikan tegangan sebesar 0,005 Volt setiap 1 rpm. Padapenelitian ini kecepatan maksimum putaran hanya mencapai 2333 rpm. Untuk mengetahui dayayang dihasilkan, dilakukan perhitungan, sehingga diperoleh nilai daya seperti tampak padaGambar 4.Gambar 4. Grafik hubungan antara putaran turbin dan daya keluaran dari generatorTegangan yang di gunakan untuk mengisi akumulator besarnya adalah minimal sama dengantegangan akumulator (12V), sedangkan hasil pengukuran keluaran generator adalah 12,22 V, makanilai ini sudah memenuhi syarat untuk mengisi arus pada akumulator. Kecepatan putar yangdibutuhkan untuk nilai tegangan tersebut adalah 1983 rpm, sehingga menghasilkan daya sebesar1,71 W yang ditunjukkan pada Gambar 4. Tinggi rendahnya daya yang dihasilkan mempengaruhipada lama waktu yang dibutuhkan dalam pengisian akumulator.Gambar 5. Foto sistem pulley dan belt serta generator yang terpasang pada turbin tipe FrancisSetelah diketahui karakteristik dari generator dengan beberapa variabel yang telah diperoleh makagenerator dapat dirangkai dengan turbin yang mempunyai kecepatan putar 166 rpm menggunakanbelt dan pulley. Untuk menaikkan kecepatan hingga 1983 rpm digunakan pulley denganperbandingan 12, artinya perbandingan pulley minimal 1:12. Gambar 5 adalah foto hasil rancangangenerator yang terpasang pada turbin. Namun sistem ini masih mempunyai efisiensi daya keluaranyang rendah. Efisiensi daya keluaran dari sistem dapat dihitung sebagai berikut:2333P optimal= *6W= 5. 83W2400

Realisasi dan Analisis Sumber Energi Baru dan Terbarukan Nanohidro dari Aliran Air Berdebit Kecil 21η sistem=2.34*100%5.83= 40.12%Daya optimal yang seharusnya dihasilkan dari sistem nanohidro pada 2333 rpm adalah 5,83 W,namun sistem hanya menghasilkan 2,34 W sehingga efisiensi sistem secara integral dari sistemnanohidro adalah 40,12%.4. KesimpulanTelah direalisasi dan dikarakterisasi sistem nanohidro dengan head 1,5 m dan debit 0,87 × 10 -3m 3 /S dengan kecepatn turbin maksimum yang dihasilkan adalah 2333 rpm dan daya yangdihasilkan adalah 2,34 W. Efisiensi sistem secara integral sebesar 40,12%, nilai ini merupakanrasio antara daya hasil penelitian yang terukur terhadap daya ideal yang seharusnya didapatkandengan nilai rpm yang sama.Prospektif secara umum dari hasil penelitian ini adalah memanfaatkan daya keluaran darigenerator untuk mengisi akumulator 12 V dan selanjutnya daya tersebut dapat dimanfaatkan secaralangsung dengan arus dc atau ac menggunakan sistem inverter. Solusi dari daya yang dihasilkankecil adalah sistem multi titik nanohidro yang merupakan penjumlahan daya dari beberapa titiknanohidroUcapan terima kasihPenulis mengucapkan terima kasih kepada DP2M, Dirjen Dikti yang telah memberikan supportdana penelitian melalui program Penelitian Hibah Strategis Nasional dengan No Kontrak :529/SP2H/PP/DP2M/VII/2010 tanggal 24 Juli 2010.Daftar Pustaka1. B. Nababan, Rancangan Sistem Kontrol Operasi Pembangkit Listrik Tenaga Air, Laporanpenelitian IPB. Bogor (2001).2. Dokumen Rencana Umum Ketenagalistrikan Nasional (The National Electricity Plan),Departemen ESDM, Jakarta (2006).3. E. Bedi, H. Falk, Small hydro power plants, Journal of Energy Saving Now, Vol. 1(2008)4. B-O. Schultze, Siting for Nanohydro : a Primer, Journal of Home-Made Power, Vol. 15,February / March (1990).5. H. Nadjamuddin, M. Yamin dan N. Salam, Pemanfaatan Turbin Mikrohidro UntukPembangkit Tenaga Listrik Di Desa Baji Minasa Kecamatan Bulukumpa KabupatenBukukumba, Jurnal ASPI, Vol. I, No. 4, Februari (1995)6. E. Mawardi, dan M.Memed, Pembangunan pembangkit listrik tenaga mikrohidro tipeMdCCF di saluran irigas, Pusat Litbang Sumber Daya Air, Badan Penelitian danPengembangan, Departemen Permukiman dan Prasarana Wilayah, Jakarta (2008)7. O.F. Patty, Tenaga Air, Erlangga, Jakarta (1995)8. Satriyo, Puguh Adi, Pemanfaatan Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Untuk DaerahTerpencil, Buletin Balitbang Dephan Volume 10 Nomor 18 (2007).9. D. J. Fullford, P. Mosley and A.Gill, Recommendations on the use of microhydro power inrural development, Journal of International Development, Vol. 12, 975 – 983 (2000)10. I. Takane dan I. Hiromaro, Micro Turbine and Micro Hydro, Journal of the Institute ofElectrical Engineers of Japan, VoL.121; No.2; Page 119-122 (2001).11. F. Dietzl, Turbin, Pompa dan Kompresor (alih bahasa Dakso Sriyono), Erlangga, Jakarta(1992)

Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 22 – 30© Jurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranSTUDI EKPERIMENTAL LAJU ALIRAN MASSA AIRBERDASARKAN PERUBAHAN SUDUT KEMIRINGAN UNTAIPADA KASUS SIRKULASI ALAMIAH MENGGUNAKANUNTAI SIMULASI SIRKULASI ALAMIAH (USSA-FT01)MULYA JUARSA † , ARIEF GOERITNO, ASEP SUHERI, IWAN SUMIRAT,DEWANTO SAPTOADI, ANDIKA NURCAHYOEngineering and Devices for Energy Conversion (EDfEC) LaboratoryFakultas Teknik Univeristas Ibn Khaldun BogorJl. KH. Soleh Iskandar Bogor – Jawa Barat INDONESIAditerima 3 November 2010revisi 19 Pebruari 2011dipublikasikan 28 Pebruari 2011Abstrak. Optimalisasi pemanfaatan energi untuk efisiensi dilakukan selain merancang bangun alat konversienergi yang baru, juga memanfaatkan hukum-hukum alam yang berlaku seperti fenomena natural sirkulasialamiah. Studi ekperimental dilakukan untuk memahami fenomena natural sirkulasi dengan menghitung lajualiran massa air berdasarkan data perubahan temperatur pada bagian dingin dan bagian panas di untai USSAFT-01. Konstruksi USSA FT-01 terdiri dari komponen pipa SS304 berdiameter 1 inci, heater, cooler dantangki ekspansi. Variasi eksperimen adalah beda ketinggian antara sisi panas dan sisi dingin berdasarkanvariasi sudut kemiringan untai, yaitu 30 o , 45 o dan 90 o . Temperatur outlet dari heater (Th) dan temperaturoutlet dari cooler (Tc) digunakan sebagai parameter yang diukur dan direkam dengan rentang waktueksperimen selama 50 menit. Hasil ekperimen dan perhitungan menggunakan beberapa korelasimenunjukkan, laju aliran massa air akan memiliki harga kestabilan yang secara berturut-turut adalah 5,6 gr/s,4,9 gr/s dan 9,8 gr/s berdasarkan perubahan sudut kemiringan 30 o , 45 o dan 90 o . Pengaruh beda temperaturrata-rata lebih dominan dibandingkan gaya apung karena beda ketinggian.Kata kunci : sirkulasi alamiah, fenomena, aliran, massaAbstract. Optimizing energy utilization for more efficiency purpose can be done by design and construct anew energy conversion devices, also apply a natural laws such as natural circulation. Experimental studieshas been conducting to understand the phenomena of natural circulation by calculating the water mass flowrate based on temperature changes in the cold area and the hot area in the USSA FT-01’s loop. ConstructionUSSA FT-01 consists of components SS304 pipe 1 inch in diameter, heater, cooler and expansion tank.Experimental variation is the height difference between hot side and cold side based on the variation of loopangle, i.e. 30 o , 45 o and 90 o . Outlet of the heater temperature (Th) and the outlet of the cooler temperature (Tc)were used as a parameter that is measured and recorded with the experimental time range for 50 minutes.Experimental results and calculations using multiple correlation shows that the water mass flow rate willhave a stable value in respectively 5.6 g/s, 4.9 g/s and 9.8 g/s based on angle variations of 30 o , 45 o and 90 o .The effect of average temperature difference is more dominant than the buoyancy force due to the differenceof height between the cold and hot side.Keywords : natural circulation, phenomena, flow, mass1. PendahuluanPerpindahan energi dalam bentuk kalor pada suatu peralatan konversi energi masih menjadi kajiandan tema penelitian yang belum usang. Peningkatan kebutuhan energi yang terus-terusan mestidiantisipasi dan hal ini memaksa penelitian terhadap fenomena yang muncul selama kalordipindahkan menjadi perhatian penting. Salah satu peralatan pemindah kalor berupa loop tertutup† email : myjuar@yahoo.com22

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 23thermosyphon memiliki kemampuan untuk memindahkan kalor dari suatu sumber ke area yanglebih dingin lain dengan jarak tertentu. Kondisi ini dapat digambarkan dengan loop tertutup yangdiisi fluida kerja (air). Jika salah satu bagian dipanaskan dan bagian lainnya didinginkan, makakerapatan air di bagian yang panas lebih rendah dibandingkan dengan bagian dingin. Perbedaantekanan hidrostatik karena kerapatan akan menyebabkan gradien kerapatan yang menggerakkan airuntuk mengalir di dalam loop. Kemampuan pergerakan molekul air karena beda kerapatan danditambah adanya perbedaan ketinggian akan menimbulkan aliran di dalam loop. Stabilitas alirandiharapkan akan timbul apabila terjadi perbedaan temperatur yang stabil antara bagian dingin danbagian panas. Aliran tanpa adanya intervensi mekanik seperti pompa atau kendali aliran, disebutfenomena aliran sirkulasi alamiah. Aplikasi dari sirkulasi alamiah seperti pada teknologi pemanassurya, konversi energi, pembangkit listrik tenaga nuklir dan termal control untuk komponenelektronik.Beberapa penelitian terkait fenomena sirkulasi alamian seperti yang dilakukan oleh Welander [1]telah mempertimbangkan aspek penggerak (driven) dalam aliran yang timbul karena gaya apung(buoyancy), perbedaan tekanan dan hambatan oleh gaya gesekan pada pipa. Kasus fluida laminarpada fasa tunggal oleh Dobson [2], menjelaskan skema formulasi yang sederhana yang mampumenangkap perilaku non-liner dan transien pada loop. Instabilitas aliran yang muncul belum dapatdijelaskan. Penelitian lainnya seperti yang dilakukan oleh K.Chen [3] dan P.K. Vijayan [4-5],menjelaskan instabilitas osilasi aliran dan stabilitas yang muncul pada loop yang dilakukan melaluieksperimen dan simulasi komputer, meskipun kondisi batasnya belum didefiniskan secara baik.Kemudian, review terhadap aliran thermosypon pada geometri umum dan aplikasinya telahdilakukan oleh Grief [6], P.K. Vijayan et al. [5], and Zvirin [7], dimana untuk kasus untairektangular terbuka dan tertutup telah menekankan pada aliran steadi dan aliran transien sepertihalnya analisis stabilitas sistem berdasarkan variasi kondisi pemanasan dan pendinginan.Sedangkan, Perbedaan kondisi batas termal, seperti perubahan sudut kemiringan untai telahdipertimbangkan oleh Misale [8] dan konduksi termal pipa juga dipertimbangkan oleh Jiang [9–12].2. Metoda EksperimenFasilitas EksperimenFasilitas eksperimen yang ada di laboratorium teknik dan devais untuk konversi energi (EDfEC,Engineering and Device for Energy Conversion) di FTUIKA Bogor, telah dikonstruksi pada tahun2009. Fasilitas eksperimen yang disebut Untai simulasi sirkulasi alamiah (USSA-FT01) dibuatdengan bentuk segi empat, dengan panjang 1,5 meter dan lebar 1,0 meter dibuat menggunakanpipa SS304 dengan diameter 1 inch (2,54 cm). Sisi panjang terdiri dari 3 pipa dan sisi lebar terdiridari 2 pipa yang ujung-ujung dipasang flange, dengan tujuan agar ukuran untai dapat dimodifikasisesuai kebutuhan eksperimen. Gambar 1 menujukkan geometri USSA FT-01

24 Mulya Juarsa dkkGambar 1. Geometri tampak atas USSA FT-01Perubahan sudut kemiringan untai dilakukan dengan merubah kedudukan USSA FT-01 pada suatupenopang persegi empat (berbahan CS), dimana penopang disambungkan dengan engsel. Busurderajat dipasang pada salah satu engsel untuk mengetahui posisi kemiringan untai. Gambar 2menunjukkan bagian lengkap dari fasilitas eksperimen. Gambar 2 menunjukkan posisi untaiberdasarkan kemiringan sudutnya. Ketinggian (H) diperoleh dengan rumus,H = (550 mm)× SinαSistem intrumentasi adalah dengan mengendalikan temperatur yang dilakukan PLC yangterkoneksi ke heater melalui SSR (solid state relay), dimana temperatur heater akan disesuikandengan perubahan temperatur pada cooler. Data pengukuran temperatur menggunakan termokopeltipe K, kemudian data pengukuran direkam melalui sistem akuisisi data (DAS) WinDAQ T1000dengan sampling rate 1 data per-detik pada 8 kanal (dalam makalah ini data hanya ditampilkanuntuk T h dan T c ). Gambar lengkap dari fasilitas eksperimen disajikan pada Gambar 3.550 mmGambar 2. Fungsi sudut kemiringan untai

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 25Gambar 3. Fasilitas eksperimen USSA FT-01Prosedur EksperimenEksperimen sebelumnya didahului dengan mengisi untai dengan air menggunakan katup inlet,kemudian diberikan tekanan secara hidrostatik hingga mencapai 1 bar lebih (untuk mengujikebocoran). Setelah tidak terjadi kebocoran, eksperimen sudah bisa dilakukan. Setelah air terisipada untai, setting terhadap system instrumentasi dilakukan. Kemudian posisi untai dirubahberdasarkan sudut kemiringan yang ditentukan, dalam hal ini 30 o , 45 o dan 90 o . Langkah pertamamenghidupkan cooler hingga temperatur minimal tercapai, sekitar -9 o C. Kemudian setelah itu,daya heater dinaikkan secara gradual berdasarkan setting dari PLC melalui SSR. Persentasekenaikan daya adalah sebesar 20% setiap 10 menit. Daya maksimal heater adalah 300 Watt. Saatheater dihidupkan, maka DAS mulai merekam data. Eksperimen dilakukan untuk setiapperubahan sudut untaiPerhitunganHasil pengamatan perbedaan temperatur pada heater dan cooler dikonversikan menjadi densitasair untuk memperoleh perbedaan densitas air pada untai dari sifat fisik air, sehingga dapatdigunakan untuk menghitung laju aliran massa air yang terjadi di dalam untai USSA FT-01,menggunakan korelasi (1)[10-11].&m 2 = 2gH(ρ c− ρ h)ρRDengan &m (kg/s) adalah laju aliran massa air, H (meter) adalah ketinggian antara heater dancooler, ρ (kg/m 3 ) adalah massa jenis air, g percepatan gravitas (m/s 2 ) dan R adalah resistensihidrodinamika (m 4 ). Hasil perkalian antara Q (m 3 /s) debit air dengan densitas air sama adalah lajualiran massa air, seperti yang diuraikan melalui korelasi (2).&m = Qρ air= AvρDengan A (m 2 ) luasan hidrodinamika, v (m/s) kecepatan aliran air. Kemudian korelasi (1)disubstitusikan ke dalam korelasi (2), sehingga diperoleh korelasi (3), sebagai berikut;(1)(2)

26 Mulya Juarsa dkk2 2gH(ρc− ρh)v = (3)2RρABilangan Reynolds yang mempunyai fungsi sebagai bilangan penentu aliran laminer atau aliranturbulen yang timbul pada USSA FT-01 dihitung menggunakan korelasi (2). Korelasi (4)menunjukkan hubungan bilangan Reynolds dengan faktor gesek Fanning. Faktor gesek DarcyWeishbach (f D ) mempunyai besar empat kali faktor gesek Fanning (f f ), sehingga (f D ) = 4 (f f ) sepertipada korelasi (5).f 16= µ(4)fD ρ vf 64= µ(5)DD ρ vKemudian harga resistensi termohidrolik ditunjukan pada korelasi (6)[12].264µ L + KρvDR = (6)2 2ρvADDengan L (m) panjang total untai, D (m) diameter dalam pipa. Untuk memperoleh kecepatan rataratayang terjadi di dalam untai adalah dengan mensubstitusikan korelasi (6) ke dalam korelasi (3),dengan menggunakan rumus abc diperoleh korelasi (7), sebagai berikut.− 64v =24µ L + (64µL)+ 8gHKρD( ρc−22KρDρ )h(7)Harga untuktemperaturnya.massa jenis air diperoleh dari table sifat fisik air berdasarkan perubahan3. Hasil dan PembahasanHasil pengukuranHasil pengukuran pada dasarnya dilakukan pada 8 titik pengukuran, untuk penelitian ini hanya 2titik pengukuran temperatur saja yang ditampilkan. Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar 6menyajikan hasil pengukuran T h dan T c serta selisihnya berdasarkan vairasi sudut kemiringan untaisecara berturut-turut dari 30 o , 45 o dan 90 o .9080706050403020100-100 500 1000 1500 2000 2500 3000Temperatur Termokopel, T[ o C]100Kurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01T cT h∆T=T h-T cwaktu, t [detik]α =30 oGambar 4. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 30 o

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 279080706050403020100-100 500 1000 1500 2000 2500 3000Temperatur Termokopel, T[ o C]100Kurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01T cT h∆T=T h-T cwaktu, t [detik]α =45 oGambar 5. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 45 o9080706050403020100-100 500 1000 1500 2000 2500 3000Temperatur Termokopel, T[ o C]100Kurva Temperatur heater dan cooler USSA FT-01T cT h∆T=T h-T cwaktu, t [detik]α =90 oGambar 6. Temperatur air pada daerah heater dan cooler untuk sudut kemiringan 90 oFenomena perubahan temperatur selama 50 menit dapat dijelaskan sebagai berikut, pada Gambar 4untuk sudut kemiringan 30 o kenaikan temperatur air pada daerah heater terjadi dengan cepat dancukup tajam, dimulai dari 0 detik hingga sekitar 800 detik temperatur air yang semula 27 o C naikmenjadi 47 o C. Kemudian temperatur mulai stabil dari 800 detik hingga 3000 detik, meski padadetik ke 2200, temperatur naik sekitar 8 o C. Kecenderungan kenaikan temperatur air yang tajampada daerah heater diimbangi dengan pengurangan temperatur air pada cooler, meski terjadikenaikan kembali mulai detik ke 800. Sedangkan pada posisi 45 o (Gambar 5) profile temperaturseperti pada kasus 30 o tidak terjadi, temperatur air di daerah heater naik secara perlahan. Meskipundemikian gradien kenaikannya sekitar 14 o C selama 1000 detik. Pada kasus kemiringan untai 90 o ,temperatur air di daerah heater dari awal naik secara perlahan hingga detik terakhir pada 3000detik. Kenaikan hanya sekitar 6 o C selama 3000 detik. Perbedaan gradien keanikan temperatur jikadisimpulkan mengalami perubahan berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai. Gradientemperatur mengalami penurunan untuk kenaikan besarnya sudut kemiringan untai.PembahasanBerdasarkan data pengukuran temperatur air pada daerah heater dan cooler sepertti yangdipresentasikan pada Gambar 4, Gambar 5 dan Gambar 6. Kemudian harga massa jenis airberdasarkan perubahan temperatur menggunakan tabel sifat fisik air, kemudian data tersebutdimasukkan ke dalam korelasi (7). Hasil perhitungan berdasarkan korelasi (7) kembali dimasukkan

28 Mulya Juarsa dkkke dalam korelasi (2) dengan terlebih dahulu menghitung luas tampang lintang dalam pipa (A),resistansi hidrodinamika (R). Hasil perhitungan disajikan pada Gambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9untuk setiap perubahan besar sudut kemiringan.0,180,160,140,120,100,080,060,040,020,000 500 1000 1500 2000 2500 3000Laju aliran massa air, m [kg/s]0,20Kurva laju aliran massa airdata laju aliran massa airlaju aliran massa (rata2) = 0,05656 kg/swaktu, t [detik]α =30 oGambar 7. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 0 oGambar 7, Gambar 8 dan Gambar 9 memiliki profile perubahan laju aliran massa air yang sesuaidengan profile perubahan temperatur di daerah heater atau selisih temperatur. Stabilitas laju aliranpada kasus kemiringan 30 o (Gambar 7) mulai terjadi pada detik 750 hingga detik ke 3000. Hal inisangat sesuai dengan yang terjadi pada perubahan temperatur seperti pada Gambar 4. Demikiankondisi serupa juga terjadi pada Gambar 8 dan Gambar 9 untuk sudut kemiringan untai 45 o dan90 o , bahwa pengaruh satbilitas temperatur pada untai akan berpengaruh pula pada stabilitas lajualiran massa. Keadaan ini telah diprediksikan oleh Misale [10] dan D’Auria [11], bahwa stabilitastemperatur akan berpengaruh pada stabilitas aliran fluida.0,180,160,140,120,100,080,060,040,020,000 500 1000 1500 2000 2500 3000Laju aliran massa air, m [kg/s]0,20Kurva laju aliran massa airdata laju aliran massa airlaju aliran massa (rata2) = 0,04967 kg/swaktu, t [detik]α =45 oGambar 8. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 45 oMekanisme yang dapat dijelaskan dari kasus ini adalah, untuk sudut kemiringan untai 30 o , efekdari gaya apung dengan ketinggian H=0,275 meter menyebabkan gerakan molekul air untuk segeramengisi kembali bagian yang kurang rapat kurang terbantu oleh efek gaya apung. Kemudian jikadibandingkan dengan sudut kemiringan 45 o dan 90 o , efek gaya apung semakin membesar seiringdengan perubahan ketinggian, yaitu berturut-turut menjadi H= 389 meter dan H=0,550 meter.Menjadi jelas bahwa, efek perubahan sudut kemiringan berlaku untuk waktu pencapaian kestabilanselisih temperatur air. Sedangkan besarnya perubahan laju aliran massa air bergantung pada

Studi Eksperimen Laju Aliran Massa Air Berdasarkan Perubahan Sudut Kemiringan Untai ... 29kestabilan temperatur air. Beda besarnya laju aliran massa air terkait dengan beda temperatur airpada daerah heater dan cooler. Hal tersebut dapat dijelaskan pada Gambar 10. Gambar 10menjelaskan perubahan laju aliran massa air akan didominasi oleh besarnya beda temperatur air didaerah heater dan cooler. Selain itu efek gaya apung memberikan kontribusi terhadap mekanismekestabilan temperatur dan laju aliran massa.0,180,160,140,120,100,080,060,040,020,00-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500Laju aliran massa air, m [kg/s]0,20Kurva laju aliran massa airdata laju aliran massa airlaju aliran massa (rata2) = 0,09804 kg/swaktu, t [detik]α =90 oGambar 9. Laju aliran massa air terhadap waktu untuk sudut kemiringan 90 oLaju aliran massa air rata-rata [kg/s]0,20500,18 Rata-rata laju aliran massa air450,16 ∆T 40rata-rata0,14350,12300,10250,08200,06150,04100,0250,0000 15 30 45 60 75 90 105 120sudut kemiringan untai, α[ o ]Beda temperatur rata-rata [ o C]Gambar 10. Efek beda tempratur dan laju aliran massa air berdasarjan sudut kemiringan4. KesimpulanHasil studi eksperimental laju aliran massa air berdasarkan perubahan sudut kemiringan untai,menyimpulkan bahwa:- Karakteristik laju aliran massa dipengaruhi oleh beda temperatur air di daerah heater dancooler, serta beda ketinggian antara heater dan cooler.- Laju aliran tertinggi adalah 0,098 kg/s untuk H=0,550 m dan beda temperatur rata-rata 38,19o C untuk sudut 90 o . Laju aliran minimal terjadi pada sudut 45 o , dikarenakan beda temperaturrata-ratanya 16,37 o C meskipun memiliki ketinggian H yang lebih besar dibandingkan sudutkemiringan 30 o .- Keadaan tersebut menyimpulkan bahwa, efek besarnya perbedaan rata-rata temperatur airpada daerah heater dan cooler lebih besar dibandingkan efek gaya apung yang beracuan padabeda ketinggian.

30 Mulya Juarsa dkkStudi awal ini menunjukkan bahwa perlunya dilakukan eksperimen lanjutan dengan menetapkanbeda temperatur air harus sama. Sehingga efek gaya apung terhadap mekanisme pergerakan fluidaakan lebih diperjelas dan dianalisis dengan baik.Ucapan TerimakasihPenulis mengucapkan terimakasih kepada Dekan Fakutas Teknik UIKA Bogor atas dukunganmoril dan menyediakan Lab. EdfEC untuk riset dosen dan mahasiswa. Para sarjana alumni EDfECmaupun yang masih riset TA, kami ucapkan terimakasih atas kerjasama dan kerja kerasnya.Daftar Pustaka1. P. Welander, Journal of Fluid Mech, 29, Part 1, 17-30 (1967).2. R.T. Dobson, Transient response of a closed loop thermosyphon, R & D J., 9, 32-38 (1993).3. K. Chen, On the oscillatory instability of closed-loop thermosypons, Journal of Heat Transfer ,105 (1985).4. P.K.Vijayan et al., Effect of loop diameter on the stability of single-phase natural circulation inrectangular loop, Proc. 5th Int.Topical Meeting on reactor thermal hydraulics (Salt Lake City),September 21-24. pp 261-267 (1992).5. P.K.Vijayan et al., Simulation of unstable oscillatory behaviour of single-phase naturalcirculation with repetitve flow reversals in a rectangular loop using computer code ATHLET,Nuclear Engineering and Desaign, 155, 623-41 (1995).6. R. Greif, Natural circulation loops, Journal of Heat Transfer, 110, 1243–57 (1988) .7. Y. Zvirin, A review of N. C. loops in PWR and other systems, Nuclear Engineering andDesign, 67, 203–25 (1981).8. M. Misale et al., Some considerations on the interaction between the fluid and wall tube duringexperiments in a single-phase natural circulation loops, IASME Transaction Issue 9 , 2,1717–22 (2005).9. Y.Y. Jiang, M. Shoji, Flow stability in a natural circulation loop: influence of wall thermalconductivity, Nuclear Engineering Design, 222, 6–28 (2003).10. M. Misale et al., Experiments in a single-phase natural circulation mini-loop, University ofGenoa, Genoa, Italy (2006).11. F. D’Auria, et al., Insights Into Natural Circulation Stability, Dipartimento Di IngegneriaMeccanica, Nucleare e Della Produzione Universita' di Pisa 56100 Pisa, Italy, IAEA Courseon Natural Circulation in Water-Cooled Nuclear Power Plants, ICTP, Trieste, Italy, 25-29 June(2007).12. P.K. Vijayan et al., Experimental observations on the general trends of the steady state andstability behaviour of single-phase natural circulation loops, Nuclear Engineering and Design,215, 139–52 (2002)

Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 31 – 39© Jurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranESTIMASI DISTRIBUSI TEMPERATUR, ENTALPI DAN TEKANANDALAM RESERVOIR PANAS BUMIALAMTA SINGARIMBUN † , ROBI IRSAMUKHTIKK Fisika Sistim Kompleks, Prodi FisikaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamInstitut Teknologi BandungJl. Ganesha 10 BandungCYRKE A. BUJUNGFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Negeri Manadoditerima 3 November 2010revisi 9 Februari 2011dipublikasikan 28 Februari 2011Abstrak. Karakteristik reservoir panas bumi ditentukan oleh beberapa sifat fisisnya, antara lain distribusitemperatur, tekanan, dan entalpi. Oleh karena itu pengetahuan akan nilai-nilai parameter tersebut amatpenting. Penelitian ini dilakukan untuk memperkirakan nilai-nilai parameter tersebut dengan teknik simulasi.Untuk itu beberapa persamaan matematis dari hukum-hukum kekekalan, termodinamika serta aliran fluidadalam medium berpori dipadukan. Untuk melakukan perhitungan dilakukan model numerik 2D yangdibangun melalui metode diskretisasi beda hingga. Dalam hal ini reservoir diasumsikan terisi oleh air dalamkondisi satu fasa. Fluks energi disuplai secara terus menerus dari ruang magma melalui rekahan pada dasarformasi reservoir. Hasilnya dapat terlihat berupa peningkatan nilai temperatur, entalpi sebagai fungsi waktupada formasi reservoir. Meningkatnya nilai entalpi dan temperatur memiliki kecenderungan yang sama, akantetapi peningkatan tersebut tidak linear terhadap kedalaman. Apabila entalpi melebihi nilai entalpi saturasi air,maka fasa fluida dalam reservoir berubah dari fasa cair menjadi sistim dua fasa.Kata kunci : reservoir panas bumi, medium berpori, diskritisasi beda hingga, fluks energiAbstract. Characteristics of the geothermal reservoir is determined by several physical properties, amongothers, is the distribution of temperature, pressure, and enthalpy. Therefore, knowledge of these parametervalues is very important. This research was conducted to estimate the value of these parameters withsimulation techniques. For that some mathematical equations of conservation laws, thermodynamics andfluid flow in porous medium combined. To do the calculations performed 2D numerical model developed bydiscretizing the finite difference method. In this case the reservoir is assumed to be filled by water in a singlephaseconditions. Energy flux is continuously supplied from the magma chamber through the fracture at thebase of the reservoir formation. The results can be seen by increasing the value of the temperature, enthalpyas a function of time at the reservoir formation. Increasing the value of enthalpy and temperature have thesame trend, but the increase was not linear with depth. If the enthalpy exceeds the value of enthalpy of watersaturation, the fluid phase in the reservoir changed from liquid to two-phase system.Keywords : geothermal reservoir, porous medium, finite difference discretization, energy flux1. PendahuluanIsu energi merupakan salah satu isu yang menjadi perhatian yang sangat serius di dunia saat ini.Seiring dengan semakin menipisnya cadangan minyak bumi dan gas (migas) di seluruh duniaakibat eksploitasi terus menerus, maka dibutuhkan pencarian sumber-sumber energi alternatif baruuntuk mengatasi berkurangnya pasokan energi dari migas di masa datang. Dalam hal ini, salah satu† email : alamta@fi.itb.ac.id31

32 Alamta Singarimbun, Robi Irshamukhti dan Cyrke A. Bujungsumber energi yang dapat dikembangkan untuk mengatasi krisis migas adalah energi panas bumi.Energi panasbumi merupakan energi panas dari dalam bumi yang dibangkitkan oleh prosesmagmatisasi lempeng-lempeng tektonik. Besarnya potensi cadangan suatu lapangan panas bumidapat digambarkan dengan beberapa parameter reservoir seperti temperatur, tekanan, dan entalpiyang merepresentasikan energi termal yang terkandung di dalam fluida reservoir tersebut. Karenaitu pengetahuan mengenai distribusi temperatur, tekanan, dan entalpi dari sistem reservoirmerupakan hal yang sangat penting.2. Aliran Fluida dalam Reservoar Panas BumiAliran fluida melalui medium berpori dan proses penghantaran panas (heat transport) merupakandasar dari model matematis sistem panas bumi fasa tunggal [1]. Gerakan fluida melewati zonapermeabel secara diasumsikan tidak kencang, karena itu berlaku hukum empiris Darcy, yaitu :Q mk= ρν( g∇D− ∇P)(1)dimana Q m adalah fluks massa fluida per satuan luas, k adalah permeabilitas, ν merupakanviskositas kinematik, ρ adalah densitas fluida, g adalah percepatan gravitasi, ∇Dadalah gradienkedalaman, dan ∇ P adalah gradien tekanan.2.1. Kekekalan Massa dalam Sistem ReservoirDalam kesetimbangan fluida dengan aliran transien, perubahan massa terhadap waktu di dalamreservoir haruslah sama dengan selisih fluks massa yang masuk ke dalam reservoir dan fluksmassa yang keluar reservoir selama selang waktu tersebut. Secara matematis, hubungan ini dapatdirumuskan sebagai:∂ W= q m− ∇ • Q (2)m∂tdimana W adalah massa di dalam reservoir per unit volume, t adalah waktu dan q m merupakanfluks massa sumber (inlet) per unit volume serta Qm merupakan fluks massa keluar reservoir(outlet) per unit volume. Persamaan (2) merupakan jenis persamaan difusi dan merupakanpersamaan diferensial parsial parabolik. Persamaan ini dapat disusun lagi penulisannya dalambentuk:∂W+ ∇ • Q m−q m= 0∂t(3)Fluida yang dimodelkan di dalam simulasi ini merupakan fluida satu fasa air, sehingga saturasi airdapat diasumsikan sama dengan 1. Jika Φ adalah porositas medium, maka denganmensubstitusikan persamaan (1) ke dalam persamaan (3) diperoleh persamaan (4) [2].∂(ρ Φ)⎛ k⎞+ ∇ • ⎜−( ∇P− ρg∇D⎟ − q m= 0(4)∂t⎝ ν⎠Oberbeck-Boussinesq mengasumsikan bahwa perubahan massa jenis dalam persamaan (4) tersebutdapat diabaikan kecuali untuk suku ρg∇Ddalam hukum Darcy [3]. Oleh karena itu, jikaporositas medium diasumsikan konstan maka persamaan (4) tereduksi menjadi persamaan (5).

Estimasi Distribusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoir Panas Bumi 33⎛ k⎞∇ • ⎜−( ∇P− ρg∇D⎟ − qm= 0⎝ ν⎠(5)2.2. Kekekalan Energi dalam Sistem ReservoirReservoir panas bumi mendapatkan energi dari ruang magma melalui proses recharge. Energi didalam reservoir dapat mengalir keluar reservoir melalui proses discharge. Dalam keadaansetimbang, perubahan energi terhadap waktu di dalam reservoir haruslah sama dengan selisih darifluks energi yang masuk ke dalam reservoir dan fluks energi yang keluar reservoir selama selangwaktu tersebut. Secara matematis, hubungan ini dapat dirumuskan persamaan (6)∂E= q e− ∇ • Q e∂tdimana E adalah energi dalam reservoir, q e adalah fluks energi sumber dan Q e merupakan fluksenergi yang keluar dari reservoir. Persamaan (6) dapat disusun menjadi persamaan (7).∂E+ ∇ • Q e−q e= 0∂tJika ρ r adalah densitas batuan dan h r adalah entalpi batuan, maka dengan memasukkan persamaan(2) dan (3) ke dalam persamaan (7), diperoleh persamaan (8) [4].∂{ Φρ h + (1 − Φ)ρrhr}+ ∇ • ( Qmh− K∇T) − qe= 0 (8)∂tBerdasarkan hubungan termodinamika didefenisikan bahwa T merupakan fungsi dari P dan hsehingga K∇Tdapat diuraikan secara parsial menjadi persamaan (9).⎛ ∂T⎞ ⎛ ∂T⎞K∇ T = K⎜⎟ ∇P+ K⎜⎟ ∇h(9)⎝ ∂P⎠ ⎝ ∂h⎠Jika persamaan (2) disubstitusikan ke dalam persamaan (9) akan didapatkan persamaan (10).hP(6)(7)∂k{ Φρh+ (1 − Φ)ρrhr}+ ∇ •{− ( ∇P− ρg∇D)h}∂tν∂T∂T− ∇ •{K()h∇P+ K()P∇h− qe∂P∂h= 0(10)Persamaan (10) dapat disusun penulisannya dalam bentuk persamaan (11).∂k 2 k 2{ Φρh+ (1 − Φ)ρrhr} − h∇P + ρgh∇D∂tν ν∂T2 ∂T2− K()h∇P − K()P∇h − q∂P∂he= 0(11)3. MetodologiPersamaan (5) untuk kesetimbangan massa dan persamaan (11) untuk kesetimbangan energimerupakan persamaan utama yang digunakan dalam program simulasi ini. Agar persamaan

34 Alamta Singarimbun, Robi Irshamukhti dan Cyrke A. Bujungtersebut dapat dimasukkan ke dalam proses komputasi, maka dibutuhkan perhitungan numerik danpemberian syarat awal (initial value problem) serta syarat batas (boundary condition) terhadapkedua persamaan tersebut. Untuk tujuan tersebut digunakan metode diskretisasi numerik bedahingga selisih pusat (central finite difference method).Di dalam simulasi ini, pengaruh gravitasi terhadap laju fluks massa yang dirumuskan di dalamhukum empiris Darcy diabaikan. Akibatnya, persamaan (5) dan persamaan (11) tereduksi menjadipersamaan (12) [5].k ∂T2 ∂T2 ∂{ h + K()h}∇ P + K()P∇h = { Φρh+ (1 − Φ)ρrhr}− qν ∂P∂h∂te(12)3.1. Skema Numerik Sistem ReservoirDengan menggunakan metode beda hingga selisih pusat (central finite difference method),persamaan (12) dapat diaproksimasi menjadi persamaan (13) [6].P1+1,k− 2Pi, k+ Pi−1,kP1+ 1, k− 2Pi, k+ Pi−1,k+= 0(13)22∆x∆zDengan menggunakan diskretisasi beda hingga (finite difference) dan skema metode numerikFTCS (forward time centered space), persamaan (13) dapat diaproksimasi dan ditulis dalambentuk persamaan (14) [3].hn+1i,k= hni,kTh∆t+2A∆xTh∆t+2A∆zn n n( h − 2h+ h )i+1, kn n n ∆tn( h − 2h+ h ) + qi,k+1i,ki−1,ki,ki,k−1Aei,j(14)dimana n merupakan level waktu.3.2. Geometri, Syarat Batas dan Syarat Awal ReservoirReservoir pada simulasi ini diasumsikan berada pada keadaan alaminya tanpa ada perlakuanproses produksi selama simulasi baik berupa pengambilan massa fluida dari dalam reservoirmaupun injeksi fluida ke dalam reservoir. Pada keadaan awal, belum ada aliran massa maupunenergi dari dan keluar reservoir, reservoir pada keadaan ini diasumsikan berada pada fasa airdengan gradien temperatur 0,07 ° C/m [7].Formasi reservoir terletak pada kedalaman 250 meter di bawah permukaan bumi dengan ketebalanformasi 1,5 km dan lebar formasi secara horizontal juga 1,5 km. Ketebalan 250 m pada bagianpaling bawah formasi ditafsirkan sebagai daerah di bawah pengaruh kuat ruang magma (magmachamber) dan ruang tengah vertikal pada reservoir merupakan daerah rekahan (fractured zone)yang memiliki porositas dan konduktivitas termal paling tinggi dibandingkan daerah sekitarnya.Formasi ini selanjutnya didiskretisasi dengan ukuran grid 5x5 m.Semua dinding reservoir diasumsikan impermeabel baik terhadap fluks massa maupun fluks energikecuali sel paling bawah pada ruang magma yang terletak pada daerah rekahan merupakan daerahyang permeabel terhadap fluks energi. Geometri dan kondisi batas dari reservoir selanjutnyadiperlihatkan pada Gambar 1.

Estimasi Distribusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoir Panas Bumi 35qe =0, Qe =0qm=0, Qm=0qe =0, Qe =0qm=0, Qm=0 qe =0, Qe =0qm=0, Qm=0qe =0, Qe =0qm=0, Qm=0qe ? 0, Qe =0qm=0, Qm=0qe =0, Qe =0qm=0, Qm=0Gambar 1. Geometri dan Kondisi Batas ReservoirDaerah yang diarsir pada gambar di atas menyatakan daerah rekahan dengan porositas dankonduktivas termal paling tinggi, warna merah-gelap menyatakan daerah yang ditafsirkan sebagaidaerah di bawah pengaruh kuat ruang magma, dan sel dengan warna hitam merupakan daerah yangpermeabel terhadap fluks energi tempat masuknya energi dari ruang magma ke dalam reservoir.Formasi yang ditinjau lebih lanjut dalam simulasi ini adalah daerah di atas warna merah-gelap.Daerah warna merah-gelap (daerah di bawah pengaruh kuat ruang magma) memiliki kontrasentalpi dan temperatur yang sangat tinggi dibandingkan dengan daerah di atasnya, sehinggameninjaunya sekaligus dengan daerah di atasnya menyebabkan daerah di atasnya menjadi tidaksignifikan. Nilai parameter/variabel fisis yang digunakan dalam simulasi ini dinyatakan dalamTabel 1.Tabel 1. Nilai Parameter / Variabel FisisParameter/Variabel Fisis Nilai SatuanKonduktivitas Termal Zona Rekahan 5 Watt/m.KKonduktivitas Termal Daerah Sekitar 1 Watt/m.KKapasitas Panas Spesifik 775 J/kg.KDensitas Fluida 1,000 kg/m 3Densitas Batuan 2,700 kg/m 3Porositas Zona Rekahan 17 %Porositas Daerah Sekitar 1,7 %Fluks Energi Sumber 100 MWatt/kg.m 2Pendekatan hidrostatik digunakan untuk menyatakan syarat awal simulasi distribusi tekanan, dankeadaan awal reservoir dengan gradien temperatur 0,07 ° C/m digunakan untuk menyatakan syaratawal entalpi. Distribusi temperatur pada simulasi ini diperoleh secara manual dari steam table [8]JSME berdasarkan kenyataan bahwa secara termodinamika variabel temperatur merupakan fungsidari tekanan dan entalpi.

36 Alamta Singarimbun, Robi Irshamukhti dan Cyrke A. Bujung4. Hasil dan Analisis4.1. Distribusi TekananSetelah program perhitungan numerik dijalankan, diperoleh hasilnya bahwa distribusi tekananhanya sedikit bergantung terhadap waktu. Hal ini karena asumsi tidak adanya fluks massa yangmasuk dan keluar reservoir. Distribusi tekanan merupakan distribusi tekanan hidrostatis, dengantekanan terendah terletak pada bagian atas formasi dengan nilai 2,6 MPa sedangkan tekanantertinggi terletak pada bagian paling bawah formasi dengan nilai 17,251 MPa. Distribusi tekananini valid selama fasa fluida yang digambarkan oleh distribusi ini masih dalam fasa air.4.2. Distribusi EntalpiKeadaaan awal reservoir pada simulasi ini merupakan reservoir fasa tunggal (air). Dengan adanyafluks energi yang masuk ke dalam reservoir secara terus menerus dari ruang magmamengakibatkan keadaan air berubah menjadi uap atau dua fasa uap-air.Gambar 2. Distribusi Entalpi Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-50Gambar 3. Distribusi Entalpi Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-100

Estimasi Distribusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoir Panas Bumi 37Gambar 4. Distribusi Entalpi Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-150Hasil simulasi di atas menunjukkan adanya perambatan energi ke seluruh formasi reservoir akibatadanya fluks energi dari ruang magma yang masuk terus menerus ke dalam reservoir sepertidiperlihatkan pada Gambar 2, Gambar 3, dan Gambar 4.. Perambatan energi ini mengakibatkanpeningkatan energi pada permukaan yang ditunjukkan dengan peningkatan entalpi reservoir dipermukaan. Peningkatan energi ini dapat menyebabkan perubahan fasa fluida dari air menjadi uapatau dua fasa uap-air jika peningkatan entalpi telah melewati ambang batas nilai entalpi saturasi air.Akibatnya ketebalan reservoir yang hanya mengandung satu fasa air semakin lama akan semakinmenipis seiring dengan peningkatan waktu. Pada tahun ke-1500, ketebalan reservoir fasa air padadaerah rekahan hanya tersisa 5 meter dengan nilai entalpi pada bidang batas dua-fasa sebesar 830kJ/kg dan besarnya entalpi di permukaan reservoir 540 kJ/kg. Simulasi ini dilakukan sampaidengan tahun ke-1500, di atas 1500 tahun fluida di seluruh ruang tengah reservoir (fractured zone)telah berubah menjadi uap.4.3. Distribusi TemperaturDistribusi temperatur untuk keadaan satu fasa ditampilkan pada Gambar 5, Gambar 6, dan Gambar7. Bidang datar x-y dalam gambar tersebut menyatakan bidang vertikal reservoir 2D yangdisimulasikan dan 0 pada sumbu thickness of reservoir dimulai dari permukaan reservoir itusendiri.Terlihat pada hasil simulasi tersebut bahwa distribusi temperatur memiliki kecenderungan yangsama dengan distribusi entalpi. Ketebalan reservoir yang hanya mengandung satu fasa air semakinlama akan semakin menipis seiring dengan peningkatan waktu. Hal ini diikuti dengan peningkatantemperatur yang terus merambat ke permukaan. Akan tetapi, sebagaimana dengan hasil simulasientalpi, peningkatan ini secara umum tidaklah linear terhadap kedalaman. Linearitas barudiperoleh ketika ketebalan reservoir yang hanya mengandung satu fasa air tersebut semakinmenipis.

38 Alamta Singarimbun, Robi Irshamukhti dan Cyrke A. BujungGambar 5. Distribusi Temperatur Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-50Gambar 6. Distribusi Temperatur Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-100Gambar 7. Distribusi Temperatur Fasa Tunggal Pada Tahun Ke-250

Estimasi Distribusi Temperatur, Entalpi dan Tekanan dalam Reservoir Panas Bumi 395. KesimpulanHasil simulasi dapat memperlihatkan distribusi beberapa parameter fisis penting dalam reservoirbumi. Distribusi nilai tersebut dapat dilihat perubahannnya sebagai fungsi waktu Besarnya nilaitemperatur di permukaan reservoir pada zona rekahan pada tahun ke- 50, 100 dan 250. Hasil inidapat memberi gambaran untuk memperkirakan kapan suatu reservoir panas bumi dapat secarapoternsial untuk dieksploitasi. Hal ini bergantung kepada efek termal dari ruang magma yang telahmulai sampai ke permukaan reservoir yang ditunjukkan dengan kenaikan temperatur di permukaanreservoir.Daftar Pustaka1. T.N. Narasimhan, and K. Pruess. A Practical Method for Modelling Fluid and Heat Flow inFractured Porous Media. Lawrence Berkeley Laboratory LBL-13487, University ofCalifornia, (1982).2. A. Singarimbun, A Numerical Model of Magmatic Hydrothermal System: “A Case Study ofKuju Volcano, Central Kyushu, Japan. Kyushu: Department of Mining Engineering, Facultyof Mining, Kyushu University (1997).3. A. Sumardi, Pemodelan Numerik Sistem Hidrotermal Lapangan Panasbumi Kamojang.Bandung: Departemen Fisika FMIPA ITB (2005).4. G.S. Bodvarsson, and K. Pruess and M.J. Lipmann. Modelling of Geothermal System.California: University of California (1985).5. P.S. Huyakorn, and G. F. Pinder. Computational Methods in Subsurface Flow. New York:Academic Press, Inc. (1983).6. A.R., Mitchell, and D.F. Griffiths. The Finite Difference Method in The Partial DifferentialEquations. John Wiley & Sons Ltd. (1980).7. J. LeVeque Randall, Finite Difference Methods for Differential Equations. University ofWashington. (2006).8. JSME. JSME Steam Tables. Japan: The Society of Mechanical Engineers (1980).

Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 40 – 46© Jurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranKARAKTERISTIK FOTODIODA DAN SEL SURYA HIBRID BERBASISPOLIMER POLIALKILTIOFENRAHMAT HIDAYAT †,1 , ANNISA APRILIA 1,2 , PRIASTUTI WULANDARI 1 , HERMAN 11) Kelompok Keahlian Fisika Magnetik dan Fotonik, Program Studi FisikaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi BandungJl. Ganesha 10, Bandung 401322) Program Studi Fisika, Jurusan FisikaFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas PadjadjaranJl. Raya Bandung – Sumedang km. 21, Sumedang 45363diterima 3 November 2010revisi 8 November 2010dipublikasikan 28 Februari 2011Abstrak. Telah dilakukan kajian karakteristik fotoarus dari fotodioda dengan polialkiltiofen, yaknipoliheksiltiofen (P3HT) regio-regular, sebagai bahan aktifnya. Fotodioda tersebut dibuat dalam bentukstruktur lapis tunggal dengan susunan ITO/P3HT/Al. Karakteristik fotoarus yang teramati menunjukkankarakterisitik fotodioda umumnya yang dicirikan oleh kondisi space-charged limited current. Akan tetapi,besar fotoarus tidak tepat bergantung secara kuadratis terhadap tegangan bias, melainkan sedikit bervariasibergantung pada intensitas cahaya, yang diduga terkait dengan proses generasi dan transpor pembawa muatandalam bahan ini. Karakteristik fotovoltaik dari polimer ini juga telah dikaji dalam struktur sel surya terbalik(inverted) dengan konfigurasi ITO/ZnO/P3HT/Ag, dimana lapisan ZnO-nya dibuat dengan metoda sol-gel.Karakteristik fotovoltaik teramati dengan potensial elektroda Ag lebih positif dari elektroda ITO, yang berartielektron mengalir dari ITO ke Ag di dalam rangkaian beban. Meski rapat fotoarus lebih kecil dibandingdengan sel surya P3HT/fullerene, dari hasil ini dapat diklarifikasi kemungkinan terjadinya proses transferelektron dari P3HT ke lapisan ZnO, yang juga berperan sebagai lapisan pemblok hole.Kata kunci : sel surya hibrid, polialkiltiofen, polimer terkonjugasi, ZnO, sol-gel, fotodioda, fotovoltaikAbstract. Photocurrent characteristics of photodiode made from poly(alkylthiophene) as the active material,namely regio-regular polyhexylthiophene, has been carried out. This photodiode has a single layer structurewith ITO/P3HT/Al configuration. The measured photocurrent shows a typical photodiode characteristicswhich is indicated by space-charged limited current. However, the photocurrent is not exactly depending onthe square of bias voltage, but it is slightly influenced by the light intensity which is related with thephotogeneration and transport of charge carrier. The photovoltaic characteristics of this polymer has beenalso investigated in an inverted solar cell structure with ITO/ZnO/P3HT/Ag configuration, where the ZnOlayer was prepared by sol-gel method. The photovoltaic characteristics was indicated by the Ag electrodewith more positive potential than the ITO electrode, as the result of electron flowing from ITO to Ag insidethe load circuit. Although the photocurrent density is smaller compared to the P3HT/fullerene system, theresult may confirm electron transfer process from P3HT to ZnO layer, which is also functioning as holeblocking layer.Keywords : hybrid solar cell, poly(alkylthiophene), conjugated polymers, ZnO, sol-gel, photodiode,photovoltaic1. PendahuluanBerbagai jenis sel surya telah dikembangkan menggunakan bahan anorganik, seperti silikon, CdTe,GaAs, dan kombinasi dari golongan I-III-VI (misalnya, CuInSe). Dalam dua dekade terakhir ini,berbagai upaya telah dilakukan secara intensif untuk mengembangkan sel surya dengan† email : rahmat@fi.itb.ac.id40

Karakteristik Fotodioda dan Sel Surya Hibrid berbasis Polimer Polialkiltiofen 41menggunakan bahan organik, yang dapat dikelompokkan menjadi dye synthesized solar cell (DSC)dan conjugated polymer solar cell (CPSC). Tipe DSC umumnya berbentuk sel basah yangmemiliki efesiensi konversi energi yang relatif besar tetapi rentan terhadap terjadinya aglomerasidye dan kebocoran larutan elektrolitnya [1]. CPSC memiliki bentuk padatan (all solid statedevices) sehingga terbebas dari masalah tersebut, namun sayangnya efesiensi konversi sel surya inimasih rendah dibandingkan tipe DSC. Di antara sel surya berbahan organik ini, sel surya yangmenggunakan polimer terkonjugasi dan turunan fullerene merupakan salah satu jenis yang palingbanyak dipelajari, dengan efesiensi konversi hingga 4.4% telah dilaporkan [2]. Selain kedua tipesel surya tersebut, akhir-akhir ini telah dilakukan berbagai upaya untuk mengembangkan sel suryahibrid dengan struktur persambungan hetero dari bahan polimer terkonjugasi dan semikonduktoroksida logam [3].Struktur sel surya hibrid organik/anorganik mendapatkan perhatian yang cukup besar akhir-akhirini dalam upaya meningkatkan kinerja devais berbasis bahan polimer/organik. Dalam struktursemacam tersebut, perbedaan tingkat energi pada persambungan diharapkan akan memfasilitisasipemisahan eksiton, yang merupakan produk primer serapan cahaya oleh polimer terkonjugasi. Diantara bahan oksida yang sering dipakai, ZnO mendapatkan perhatian yang besar karena lapisantipis ZnO dapat disintesis dalam suhu rendah dan dengan berbagai metoda penumbuhan, termasukmetoda deposisi kimia dan sol-gel yang relatif sederhana. Semikonduktor oksida ini memilikienergi ikat eksiton sebesar 60 meV pada suhu kamar. Tanpa adanya dopan pada ZnO, material inimerupakan bahan semikonduktor tipe-n. [5]Dalam makalah ini akan dipaparkan hasil kajian kami tentang fabrikasi sel surya hibrid denganpersambungan hetero ZnO/poli(alkiltiofen) dan karakteristik fotovoltaiknya. Metoda pembuatanlapisan tipis ZnO yang digunakan adalah metoda deposisi kimia dan sol-gel. Metoda ini dipilihkarena kemudahan proses pembuatan lapisan tipis, yang memiliki potensi untuk sel berpenampangluas nantinya. Fungsi kerja dari sel surya ini dikaji melalui pengukuran karakteristik fotoarus statikdan transien. Akan juga dicoba dikaji kemungkinan keterkaitannya dengan proses elektronik danpengaruh dari nano-morfologi lapisan ZnO.2. EksperimenPolialkiltiofen yang digunakan dalam penelitian ini adalah P3HT, yang memiliki gugus sampingalkil (R = C n H n+1 ) dengan panjang n = 6. Lapisan tipis polimer dibuat dengan spin-coating larutanpolimer dalam kloroform atau toluene pada substrat gelas atau gelas ITO. Untuk mempelajarikarakteristik fotoarus, lapisan tipis polimer di atas gelas ITO kemudian dilapisi dengan logam(Aluminium) melalui metoda deposisi vakum fisis. Karakteristik fotoarus dikaji melaluipengukuran tegangan bias vs. fotoarus (I-V).Untuk membentuk sel surya, lapisan tipis ZnO dibuat lebih dulu di atas gelas ITO dan kemudiandilanjutkan dengan lapisan politiofen serta lapisan logam (Ag). Susunan tersebut membentukstruktur hibrid juga membentuk struktur terbalik (inverted), yakni pengkoleksian elektron pada sisiITO. Lapisan ZnO di sini adalah lapisan ZnO dengan doping Alumunium yang dipreparasi melaluimetoda sol-gel. Larutan prekursor dibuat dari Zn asetat dihidrat di dalam pelarut metanol ataumetoksietanol dengan tambahan dietilamin atau dietanolamin sebagai stabilisator. Larutanprekursor tersebut kemudian dispin-coating di atas gelas ITO dan dikenai pemanasan bertahapmulai dari suhu 100 o C hingga 500 o C. Pengukuran Scanning Electron Microscopy (SEM) danAtomic Force Microscopy (AFM) dilakukan untuk mengetahui morfologi dari lapisan ZnOtersebut. Karakteristik sel surya dikaji melalui pengukuran I-V, dalam keadaan gelap dan di bawahpenyinaran cahaya, dan pengukuran spektrum fotoarusnya.

42 Rahmat Hidayat dkk3. Hasil dan pembahasan3.1. Karakteristik foto arusGambar 1 menunjukkan hubungan antara tegangan bias vs. fotoarus (I-V) yang diukur daristruktur ITO/regio-regular P3HT/Al di bawah pengaruh bias mundur dan maju. Kebergantunganterhadap intensitas cahaya penyinaran di bawah bias mundur lebih tampak jelas dibandingkan dibawah bias maju. Dalam kondisi gelap, fotoarus tidak teramati karena belum ada pembentukanpembawa muatan di dalam polimer. Dalam keadaan bias maju, arus lebih didominasi dengan arusinjeksi sehingga kontribusi dari fotoarus kurang terlihat. Di bawah panjar mundur, arus injeksisangatlah kecil sehingga kontribusi fotoarus menjadi dominan. Kebergantungan fotoarus terhadaptegangan bias ternyata tidak secara linier, melainkan mengikuti suatu fungsi pangkat berbentukbI ( V ) = aV . Inset dalam Gambar 1 menunjukkan bahwa kurva I-V tersebut dapat difit denganhubungan tersebut dengan a = 6.6 10 -10 A and b = 2.2. Hal ini menunjukkan bahwa fotoarusbergantung hampir secara kuadratis terhadap tegangan bias.5x10 -6 0 2 4 6 8 10Fotoarus (A)4x10 -63x10 -62x10 -61x10 -6Fotoarus (A)4x10 -63x10 -62x10 -61x10 -6(a)0I Illum120K LuxfittingTegangan Bias (V)Iluminasi(Lux)200K160K120K80K40K12KdarkTegangan Bias (V)-12 -10 -8 -6 -4 -2 0dark18V(b)21V0.0E+0-5.0E-6-1.0E-5-1.5E-5Fotoarus (A)00 2 4 6 8 10 12Tegangan Bias (V)-2.0E-5Gambar 1. Karakteristik fotoarus diukur dari struktur ITO/P3HT(regio-regular)/Alpada berbagai intensitas cahaya (a) di bawah tegangan bias mundur dan (b) teganganbias maju. Inset: Hasil kurva fiting untuk fotoarus diukur pada intensitas cahaya 120KLux.Kebergantungan fotoarus secara kuadratis terhadap tegangan bias dapat mengindikasikan bahwakarakteristik fotoarus dibatasi oleh akumulasi pembawa muatan pada bidang batas elektroda.Kondisi semacam ini dikenal sebagai space-charged limited current (SCLC), dimana fotoarusdiberikan oleh hubungan: [4]jSCL29ε sµV= nqµE =8d3(1)dengan j adalah rapat fotoarus dan V adalah tegangan bias. Secara umum, efek akumulasipembawa muatan ini terjadi pada bidang batas metal/semikonduktor yang menghasilkan medanlistrik internal yang akan membatasi besar aliran arus di dalam devais tersebut. Akan tetapi,jumlah pembawa muatan di dalam polimer ini, dan juga polimer terkonjugasi secara umum,tidaklah sebesar dalam bahan kristal semikonduktor inorganik (seperti silikon). Selain itu, lapisanpolimer dalam struktur fotodioda ini bukanlah dalam keadaan terdoping. Oleh karena itu,karakteristik kurva I-V yang teramati bisa dipengaruhi oleh faktor lain selain efek SCLC.

Karakteristik Fotodioda dan Sel Surya Hibrid berbasis Polimer Polialkiltiofen 43Meskipun sifat kelistrikan dari polimer terkonjugasi ini dapat dijelaskan secara sederhana denganmengadopsi konsep pita energi dan pembawa muatan elektron-hole seperti dalam bahan kristalsemikonduktor anorganik, terdapat perbedaan yang mendasar pada skala mikroskopik. Produkfoto-eksitasi adalah eksiton polaron, yakni pasangan elektron dan hole yang terstabilkan olehdistorsi struktur molekul sehingga memiliki energi ikat yang besar. Eksiton tersebut harusmengalami disosiasi untuk menghasilkan pembawa muatan bebas, yakni polaron negatif danpolaron positif, suatu keadaan yang membawa elektron dan hole tetapi disertai juga dengandistorsi struktur molekul. Oleh karena itu, konsentrasi pembawa muatan (n) dan mobilitaspembawa muatan (µ) di dalam persamaan (1) tidaklah konstan untuk polimer ini.E (eV)rGambar 2. Ilustrasi proses disosiasi eksiton yang dibantu oleh medan listrik.Model Onsager sering dirujuk untuk mendeskripsikan karakteristik fotogenerasi dalam bahandengan ke-takteraturan keadaan dan energi ikat eksiton yang besar [5]. Dalam kondisi semacamtersebut, proses disosiasi eksiton memerlukan bantuan medan listrik seperti diilustrasikan dalamGambar 2. Fotoarus di dalam bahan merupakan produk dari proses pembangkitan pembawamuatan yang bergerak di bawah pengaruh tegangan bias (V), yang diberikan oleh hubungan( E,hν,T ) µ ( E) VdI = e ghτ(2)dimana E adalah medan listrik lokal, g adalah laju fotogenerasi, µ adalah mobilitas pembawamuatan, τ adalah waktu hidup pembawa muatan dan d adalah ketebalan lapisan polimer. Lajufotogenerasi pada energi eksitasi (hν) tertentu adalah:αg( E, T ) = η( E, hν, T )( hν) I ( x)hνph(3)dimana η adalah efesiensi pembentukan eksiton per foton yang diserap, α(hν) adalah absorbansi(yang bergantung pada energi eksitasinya), dan I ph adalah intensitas cahaya pada kedalamanpenetrasi (x) tertentu pada lapisan polimer. Jelas bahwa kebergantungan laju generasi danmobilitas pembawa muatan pada medan listrik ini dapat turut memberikan pengaruh padakarakteristik I-V seperti yang teramati.

44 Rahmat Hidayat dkk3.2. Karakteristik sel suryaGambar 3. Diagram tingkatan energi untuk sel suryahibrid.Gambar 4. Citra AFM yang menunjukkan morfologilapisan ZnO dengan kekasaran < 10 nm.Current (mA)/cm 21.00.50.0-0.5dark (a)irradiatedEQE (%)2.52.01.51.00.5(b)-1.0-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4Voltage (V)0.0300 400 500 600 700 800Wavelength (nm)Gambar 5 (a) Kurva I-V dalam keadaan gelap dan penyinaran cahaya. (b) Spektrumfotoarus yang menunjukkan dua daerah sintesasi, yang masing-masing berasal dari ZnOdan P3HT.Dalam sel surya, foto-arus harus terjadi secara spontan, meski tanpa kehadiran medan listrik atautegangan bias eksternal. Oleh karena itu, untuk menghasilkan disosiasi eksiton secara spontan,biasanya dibentuk struktur persambungan donor-akseptor (D-A), baik dalam bentuk persambunganbulk-hetero ataupun lapisan hetero. Dalam penelitian ini digunakan persambungan lapisan heterodengan struktur terbalik (inverted) ITO/ZnO/P3HT/Ag. Meskipun ZnO sering dipakai sebagailapisan transpor elektron, dalam penelitian ini kami menduga bahwa ZnO dapat juga berperansebagai akseptor. Elektron akan mengalir keluar lewat lapisan ZnO dan kemudian ke ITO,sehingga elektroda ITO akan memiliki tegangan lebih negatif dibanding elektroda emas. Diagramtingkat energi dan ilustrasi aliran pembawa muatan (elektron dan hole) ditunjukkan dalam Gambar3. Dalam kondisi terbalik seperti ini, sel surya ini beroperasi dengan polarisasi yang berlawanandibandingkan dengan struktur sel surya polimer konvensional [2–4].Lapisan ZnO yang dipakai dibuat dengan metoda sol-gel [2]. Hasil pengukuran Energy DisperseSpectrum (EDS) dari lapisan yang telah dibuat menunjukkan kandungan ZnO, yakni 22.3% ZnOdan 77.3% In 2 O 3 (yang berasal dari substrat gelas ITO yang dipakai). Gambar 4 menunjukkan citraAFM

Karakteristik Fotodioda dan Sel Surya Hibrid berbasis Polimer Polialkiltiofen 45lapisan ZnO yang telah dibuat dengan uniformitas yang baik dan kekasaran permukaan < 10 nm.Dengan mengatur konsentrasi prekursor dan kecepatan putaran spin coater, dapat dibuat lapisanZnO dengan ketebalan berkisar dari 30-200 nm.Fullerene atau PCBM tidak ditambahkan ke dalam P3HT dalam sel surya ini karena kami inginmengklarifikasi kemungkinan fungsi ZnO juga sebagai lapisan akseptor dalam kajian ini. Gambar5(a) menunjukkan kurva I-V dari sel surya hibrid ini. Dalam keadaan gelap, tampak bahwa arusberubah secara linier terhadap perubahan tegangan. Di bawah penyinaran simulator surya AM 1.5,kurva I-V yang terukur jelas-jelas menunjukkan karakteristik fotovoltaik. Elektroda Ag memilikipotensial lebih positif dibandingkan elektroda ITO, yang berarti juga elektron mengalir dari ITOke Ag. Karakteristik ini jelas menunjukkan fungsi kerja yang terbalik (inverted) dari karakterisitikfotodioda jenis ini dengan struktur yang standar. Dalam struktur standar, elektroda ITO bermuatanlebih positif dari elektroda metal, umumnya Al. yang berarti elektron mengalir dari Al ke ITO.Akan tetapi, kurva I-V dalam kedua kondisi tersebut sepertinya menunjukkan karakteristik Ohmic,yakni perubahan arus yang hampir linier terhadap perubahan tegangan. Karakteristik ini sedikitberbeda dengan karakteristik efek fotovoltaik yang umum dengan karakteristik dioda, yangdipengaruhi oleh adanya daerah space-charge yang terbentuk di bidang batas persambungan.Karakteristik ini belum dapat dipahami sepenuhnya saat ini, tetapi diperkirakan terkait dengankarakteristik persambungan ZnO/P3HT yang terbentuk. Spektrum fotoarus dalam Gambar 5(b)menunjukkan sebuah pita dengan puncak di 500 nm dan sebuah pita dengan puncak di 350 nm,yang masing-masing merupakan fotoarus yang berasal dari hasil sentisasi molekul ZnO dan P3HT.Masing-masing pita tersebut memiliki bentuk yang serupa dengan spektrum absorbsinya.4. KesimpulanTelah berhasil dibuat devais fotodioda dan sel surya dengan bahan aktif P3HT. Untuk sel surya,struktur yang dibuat adalah struktur terbalik (inverted) dengan lapisan ZnO yang dibuat denganmetoda sol-gel. Karakteristik fotodioda yang teramati mirip dengan karakteristik fotodiodaumumnya, yang biasanya dipengaruhi oleh efek SCLC. Akan tetapi, teramati adanya deviasi darimodel SCLC bergantung pada intensitas penyinaran cahaya, yang diduga terkait denganmekanisme generasi dan transpor pembawa muatan dalam P3HT. Efek fotovoltaik juga teramatidalam struktur sel surya terbalik yang telah dibuat. Fotoarus mengalir dari elektroda Ag keelektroda ITO. Meski fotoarus yang teramati kecil, hasil yang diperoleh dapat mengklarifikasikemungkinan terjadinya proses transfer elektron dari P3HT ke lapisan ZnO, yang juga berperansebagai lapisan pemblok hole.Ucapan terima-kasihPenulis berterimakasih pada program Riset Unggulan Institut Teknologi Bandung. 2009 (Projectnumber: 0098/k01.20/SPK-LPM/I/2009). Penulis juga berterima kasih pada Prof. Masanori Ozaki,Osaka University, yang telah memberikan kesempatan menggunakan beberapa peralatan yangdigunakan dalam penelitian ini.Daftar Pustaka1. M. Law et al., Nanowire dye-sensitized solar cells, Nat. Mater., 4 (2005) 455; T. Oekermann,et al., J. Phys. Chem. B 108 (2004) 2227–2235.2. H. Hoppe and N. S. Sariciftci, Polymer Solar Cells, Adv Polym Sci., DOI 10.1007 (2007) 121;C. J. Brabec, Plastic Solar Cells, Adv. Funct. Mater., 11 (2001) 15; G. Li et al., Nat. Mater. 4(2005) 864.3. T. Shirakawa et al., J. Phys. D: Appl. Phys., 37 (2004) 847-850; J. Owen et al., Appl. Phys.Lett. 90 (2007) 033512.4. S. M. Sze, Physics of Semiconductors and Devices, (1981), John Wiley, New York.

46 Rahmat Hidayat dkk5. S. Barth, D. Hertel, Y.-H. Tak, H. Bassler, and H.H. Horhold, Chem. Phys. Lett. 274 (1997)1656. Ü. Özgür et al., J. Appl. Phys., 98 (2005) 041301.7. Beek et al., Adv. Funct, Mater, 16 (2006) 1112-1116.8. P. Quist et al., J. Phys. Chem.. B, 110 (2006) 10315-10321.9. Sekine Nobuyuki et al., Org. Electron. (2009), doi:10.1016/j.orgel.2009.08.01.10. Annisa Aprilia, Herman, and Rahmat Hidayat, AIP Conference Proceedings Vol. 1284 (2010)142-147.

Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 47 – 57© Jurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranSIMULASI LATTICE BOLTZMANN UNTUK MENENTUKANKONSENTRASI POLARISASI PADA SOLID OXIDE FUEL CELLIRWAN ARY DHARMAWAN † , DINI FITRIANI, KUSNAHADI SUSANTOJurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas PadjadjaranJl. Raya Bandung-Sumedang km.21, Jatinangor 45363, IndonesiaWAHYU PERDANA YUDISTIAWANSchool of Chemical and Biomedical BioengineeringNanyang Technological UniversityNanyang Road, Singaporediterima 3 November 2010revisi 24 Februari 2011dipublikasikan 28 Februari 2011Abstrak. Dalam makalah ini telah disimulasikan metoda lattice Boltzmann untuk memprediksi nilaikonsentrasi polarisasi pada Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Nilai konsentrasi polarisasi pada SOFC sangatdipengaruhi oleh bentuk geometri pada anoda berporinya. Metoda Lattice Boltzmann digunakan untukmenghitung konsentrasi H 2 dan H 2O untuk selanjutnya dimasukkan ke dalam persamaan Nerst untukmenghasilkan nilai konsentrasi polarisasi. Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa nilai konsentrasipolarisasi terendah dimiliki oleh bentuk geometri anoda yang memiliki porositas tinggi.Kata kunci : konsentrasi polarisasi, metode lattice BoltzmannAbstract. In this paper, we performed lattice Boltzmann method to predict the polarization concentration ofthe SOFC. The polarization concentration value is depends on the anode geometry itself. The latticeBoltzmann is used to calculate the concentration of H 2 and H 2O, and these value will be consider as the inputfor the Nerst equation to produce polarization concentration value. Results showed that the lowestconcentration polarization is obtained for the higher porosity media.Keywords : concentration polarization, lattice Boltzmann method1. PendahuluanDengan semakin terbatasnya sumber energi dari bahan fosil (bahan bakar minyak atau BBM) danmeningkatnya konsumsi energi dunia, khususnya energi listrik serta dengan semakin tingginyaharga minyak dunia saat ini, mendorong pencarian sumber energi alternatif yang dapatdiperbaharui. Salah satu sumber energi alternatif yang dapat diperbaharui dan sangat berpotensiuntuk dikembangkan di Indonesia adalah sumber energi berbasis hidrogen.Fuel Cell atau sel bahan bakar adalah sebuah divais elektrokimia yang mengubah energi kimia keenergi listrik secara kontinyu. Dari berbagai macam teknologi sel bahan bakar yang ada saat ini,salah satu sel bahan bakar yang sering digunakan pada industri adalah sel bahan bakar oksidapadatan atau Solid Oxide Fuell Cell (SOFC), selain mempunyai efisiensi yang lebih tinggi, SOFCtidak memerlukan jaringan pemasok hidrogen yang banyak dibandingkan sel bahan bakar lainnyaseperti molten carbonate, polymer electrolyte, phosphoric acid dan alkali [1]. Namun, di pihak lain† email : iad@phys.unpad.ac.id47

48 Irwan Ary Dharmawan, Dini Fitriani, Kusnahadi Susanto dan Wahyu Perdana YudistiawanSOFC mempunyai kelemahan yaitu temperatur kerja yang cukup tinggi dibandingkan sel bahanbakar lainnya [2].Pada prinsipnya SOFC terdiri dari dua buah elektroda yang berpori, yaitu katoda dan anoda. Duabuah elektroda karbon yang tercelup dalam larutan elektrolit (dalam hal ini asam) dan dipisahkandengan sebuah pemisah gas. Bahan bakar, dalam hal ini hidrogen, digelembungkan melewatipermukaan satu elektroda melewati elektroda lainnya. Ketika kedua elektroda yang secara listrikdihubungkan dengan beban luar, beberapa hal terjadi yaitu hidrogen menempel pada permukaankatalitik elektroda, membentuk ion ion hidrogen dan elektron elektron. Ion ion hidrogen (H + )migrasi melewati elektrolit dan pemisah gas ke permukaan katalitik elektroda oksigen. Secarasimultan, elektron elektron bergerak melewati lintasan luar pada permukaan katalitik yang sama.Oksigen, ion ion hidrogen dan elektron bersatu pada permukaan elektroda membentuk gas H 2 O.Reaksi total yang dihasilkan adalah H 2 O dan energi.Kinerja SOFC bergantung kepada fenomena transport fluida dalam anoda dan faktor geometrinya[2–4], selain itu menurut Yakabe, kinerja SOFC sangat bergantung pada faktor konsentrasipolarisasi [5]. Faktor konsentrasi polarisasi menunjukkan kehilangan energi yang berkaitan denganefek perpindahan massa dalam proses difusi gas pada anoda. Laju difusi ini sangat bergantungpada faktor geometri anoda seperti ukuran pori, porositas dan tortuositas. Dalam penelitian inihanya difokuskan pada faktor konsentrasi polarisasi, dimana perhitungannya menggunakanpersamaan Nerst dan dalam perhitungannya melibatkan faktor transport dan geometri anoda.Transport gas dalam anoda disimulasikan secara numerik menggunakan metoda Lattice Boltzmannyang telah dimodifikasi untuk aliran gas multikomponen [6–7]. Dari simulasi ini dihitung nilaikonsentrasi gas hidrogen dan air pada elektroda untuk selanjutnya akan digunakan dalampersamaan Nerst.2. Pemodelan dan Simulasi2.1. Proses DifusiProses difusi dalam media berpori memenuhi hukum Stefan Maxwell yaitu :− ∇Xi=N∑j=1j≠iXJ − X JjicTDijij(1)Dengan Xidan Jiadalah fraksi mol dan mol fluks dari gas komponen ke i , sedangkan cTadalahtotal konsentrasi molar dan Dijmerupakan koefisien difusi antardua buah komponen. Persamaandi atas merupakan persamaan yang menggambarkan kasus difusi untuk gas multikomponen dalamcampuran yang ideal, dengan N menyatakan jumlah komponen gas yang terlibat dalam sistem.Apabila N = 2 , maka persamaan (1) akan berubah menjadi persamaan hukum Fick, yangdinyatakan oleh persamaan (2)J = −cD∇X(2)iPersamaan (2) menyatakan bahwa setiap komponen gas dalam campuran akan terdifusi dari suatudaerah yang konsentrasi tinggi ke daerah yang berkonsentrasi rendah. Proses difusi untuk masing-Ti

Simulasi Lattice Boltzmann untuk menentukan konsentrasi polarisasi pada Sel Oxide Fuel Cell 49masing gas terlibat disertakan, karena proses ini sangat berhubungan erat dengan perhitungan rapatarus pada anoda yang secara langsung nantinya akan diketahui besarnya konsentrasi polarisasi.2.2. Metoda Lattice BoltzmannSimulasi numerik dalam penelitian ini bertujuan: (i) memvalidasi model matematik yangdikembangkan sekaligus sebagai kontrol model tersebut, (ii) Untuk memahami proses yangsebenarnya terjadi pada SOFC, (iii) mengetahui pengaruh geometri terhadap faktor-faktor yangmenunjang kinerja SOFC, (iv) mengetahui perilaku SOFC beserta kinerjanya apabila komponengasnya divariasikan.Pada dasarnya metoda LB yang dikembangkan adalah metoda LB yang diadopsi dari model yangdikembangkan oleh Joshi [6–7], dimana persamaan umumnya diungkapkan oleh persamaanberikut :i iiif ( x + e , t + 1) = f ( x,t)+ Ω ( x,t)(3)αααiDengan f αmerupakan fungsi distribusi partikel pada posisi x dan waktu t yang didefinisikansebagai jumlah partikel dari komponen ke i yang bergerak dengan kecepatan α sepanjang arahie α. Indeks i menyatakan indeks komponen gas yang berada dalam system anoda. Jumlahikomponen pada gas anoda ada sebanyak tiga terdiri dari H 2 , O 2 dan H 2 0. Ωαadalah operatortumbukan, di mana dalam hal ini menggunakan operator BGK atau Bhatnagar-Gross-Krook. Kisiyang digunakan dalam penelitian ini adalah kisi D2Q9 yang merupakan kisi dua dimensi dengansembilah arah kecepatan, yang digambarkan pada gambar 1 berikut :αGambar 1 Gambar sembilan arah kecepatan untuk komponen gas pertama atau yang teringanpada metoda LB D2Q9Adapun vektor kecepatan untuk masing-masing komponennya adalah :ekBTM n1α = ,1ekBTM n2α = ,2k Te3 Bα =(4)M n3

50 Irwan Ary Dharmawan, Dini Fitriani, Kusnahadi Susanto dan Wahyu Perdana YudistiawanDengan kB, T , M dan n menyatakan konstanta Boltzmann, temperatur, berat molekul dan molsecara berturut-turut. Sedangkan untuk operator tumbukannya dinyatakan olehΩΩΩ1α2α3α= Ω= Ω= Ω11α21α31α+ Ω+ Ω+ Ω12α22α32α+ Ω+ Ω+ Ω13α23α33α(5)Persamaan (5) menyatakan operator tumbukan untuk masing-masing partikel gas, yang masingmasingsukunya dinyatakan oleh persamaan berikut :i iii⎛ f ⎞α− fαΩ = −⎜⎟α⎝ τi ⎠(6)i(eq)ij 1 ⎛ ρj ⎞ fαiΩα= −( e ) ( )ij⎜⎟ − u ⋅ u2 αi− ujτD ⎝ ρ ⎠ cs,i(7)Persamaan (6) menyatakan operator tumbukan antarpartikel sejenis, sedangkan persamaan (7)i(eq) ij 2menyatakan operator tumbukan antarpartikel antarkomponen. Sedangkan f α, τD, ρ , csjdanu menyatakan fungsi kesetimbangan, waktu relaksasi, densitas, kecepatan suara dan kecepatanfluida secara berturut-turut.Fungsi kesetimbangan yang dipilih untuk simulasi multikomponen adalah [7] :fi(eq)α ω αf(0)α=⎡ ( e= ⎢1+⎣⎡ eni⎢1+⎣iαiα2cs,i− u)⋅(uci⋅u( eα⋅u)u ⋅u⎤+ −42 ⎥2cs,i2cs,i⎦2s,ii− u)⎤⎥ f⎦i(eq)αDengan ωαadalah vektor bobot statistik, dimana untuk D2Q9 nilainya adalah :4ω1=91ω2= ω3= ω4= ω5=(9)91ω5= ω6= ω7= ω8=36Waktu relaksasi dalam perasmaan (7) ditentukan oleh besarnya nilai koefisien difusiantarkomponen sebagai berikutDijρP=2n M Mij⎛ ij⎜τD⎝1 ⎞− ⎟2 ⎠(8)(10)Variabel Mimenyatakan berat molekul dari komponen ke i . Sedangkan tekanan ( P ) ditentukanoleh persamaan berikut :

Simulasi Lattice Boltzmann untuk menentukan konsentrasi polarisasi pada Sel Oxide Fuel Cell 51P = ρ c + ρ c + ρ c(11)2 2 21 s,12 s,23 s,3Dengan1cs, 1= ,31M1c s ,2= ,3 M21M1c s ,3= (12)3 M3Persamaan (12) menyatakan kecepatan suara dalam metoda LB untuk setiap komponennya. Daripersamaan (11) dan (12) maka persamaan (11) dapat dinyatakan sebagaiP = M n /3(13)iDari persamaan (13) terlihat bahwa jika tekanan bernilai tetap maka total konsentasi ( n ) akanbernilai tetap. Dengan mensubstitusikan persamaan (13) ke dalam persamaan (10) dihasilkanpersamaan berikutijM ⎛ ⎞1 ⎡ ρ ⎤ 2τD−1Dij=⎢ ⎥⎜⎟(14)MiMj ⎣ n ⎦⎝6 ⎠Dari persamaan (14) dapat dihitung koefisien relaksasi untuk setiap kisinya sebagai berikutij 1 MiMj ⎡ n ⎤τD= + 3DijM⎢ ⎥(15)21 ⎣ ρ ⎦Untuk menjaga kestabilan numerik maka harus diupayakan agar koefisien relaksasi (15) selaluberharga dalam orde satu [7].Besaran makro yang diperoleh dari metoda ini diperoleh dengan persamaan (16) dan (17) berikutdi bawah ini :ρ = M n(17)ii i3∑ ρ ii=1ρ =(18)Dengan n menyatakan kerapatan partikel ke i yang dihitung melalui persamaan (4.19)i8∑in = f(19)iαα = 0Dan total jumlah densitas diperoleh menggunakan persamaan (20)n = n +(20)1+ n2n3Untuk komponen ke i , kecepatan uidigunakan untuk menghitung fungsi kesetimbangan denganmenggunakan persamaan (21). Namun demikian kecepatan komponen u′idigunakan untukmenghitung mol flux yang dievaluasi menggunakan persamaan (22) . Selain itu persamaan (22)digunakan untuk menurunkan syarat batas pada inlet dan outlet. Mol flux dan kecepatan campuranu dihitung menggunakan persamaan (23) dan (24).n u =ii8∑α = 0fei iα α(21)

52 Irwan Ary Dharmawan, Dini Fitriani, Kusnahadi Susanto dan Wahyu Perdana Yudistiawan⎛ ⎞ 8 ⎛ ⎞ 8⎜1 1⎟i i∑ + ⎜1 1+ ⎟, eq i4n ′ = 4 − −∑iiuifαeαfαeα(22)⎝ τijτik ⎠α= 0 ⎝τijτik ⎠α= 0J = n u′(23)ii1u1+ ρ2u2ρ3u3iρ u = ρ +(24)Syarat batasUntuk menangani syarat batas untuk konsentrasi dan fluks maka kita perlu memodifikasikecepatan terlebih dahulu dengan menggunakanu ~ ′ = ′iu iM iM1(25)dan parameter relaksasi⎛ ⎞⎜1 1φ = + ⎟⎝τ ijτ ik ⎠(26)Dengan kedua persamaan di atas, maka persamaan (22) dapat dinyatakan kembali menggunakanDengan mendefinisikan variabel dummy2, ii i4 u~y, i= (4 −φ)∑ eyfα+ φSi i4 u~x, i= (4 −φ)∑ exfα+ φSPersamaan (19) , (27) dan (28) dapat dimodifikasi menjadini=SS1, i==n ′2,in ′1,ifeq2, ifeq3, i+ f+ feq6, ieq6, i+ f+ feq9, ieq7, i− f− feq4, ieq5, i− f− feq7, ieq8, i− f− fi i ii i i i i i[(4−φ)(f4+ f7+ f8) + (4 −φ)(f1+ f3+ f7+ f4+ f8+ f5) −φS1][(4−φ)− 4 u ~ ′ ]fi6fi6− fi9+ fi9= − f=fi7i3− f+ fi8i7+ fi8+ fi5x , i⎡+ ⎢⎣nu~′−φS4y,i 2,i4 −φ⎡4nu~ ′x,i−φS1,i ⎤ 2nu+ ⎢−4⎥⎣ −φ⎦ 9ci i 2nuxf2= f4+29cs,ix2s,i⎤⎥⎦eq8, ieq9, i(27)(28)(29)(30)(31)(32)(33)

Simulasi Lattice Boltzmann untuk menentukan konsentrasi polarisasi pada Sel Oxide Fuel Cell 53Persamaan (30) s.d (33) menyatakan fungsi distribusi partikel pada syarat batas inlet yang akanditentukan, dan secara simultan keempat persamaan tersebut dapat diselesaikan. Hal yang samapula dapat diterapkan untuk syarat batas di outlet.2.3. Sistem transport gasDua buah parameter utama tak berdimensi dalam persamaan transport dalam poros media adalah*porositas φ , yang didefinisikan sebagai fraksi luas anoda yang ditempati oleh pori, dan fluks J .Hubungan kedua parameternya dijelaskan oleh persamaan berikut :JL=c D*J (34)T31Dengan J menyatakan mol fluks pada TPB (Triple Phase Boundary), L adalah panjang media,cTtotal konsentrasi molar dan D31koefiesien difusi antara H 2 dan N 2 . Secara fisis*J merepresentasikan besarnya transport konveksi dan difusi massa dari gas hidrogen melalui gas*nitrogen. Nilai J berorde sekitar 10 -2 , karena transport massa dalam SOFC lebih didominasi olehproses difusi. Parameter LB dapat dipilih secara sembarang sepanjang bilangan tak berdimensi*yang dipilih ada benar. Sebagai contoh untuk mensimulasikan kasus di mana J = 0.16, parameterLBnya adalah (dalam satuan kisi) L = 150 , J = 0. 069 , cT= 600 , D12= 0. 337 ,D = 0.06923dan D = 0. 311085 . Fraksi mol yang dipilih adalah H 2 = 0,47, H 2 O = 0,03 dan N 2*= 0,5 yang terletak pada x = 0 . Nilai J juga dapat direlasikan dengan arus pada sel bahan bakarmelalui :i = 2 F × J(35)i menyatakan rapat arus dan F adalah konstanta Faraday. Dalam kasus ini mol fluks akan selalukonstan pada TPB, hal ini menyebabkan rapat aruspun akan konstan pada antarmuka anodaelektrolit.Nilai arus yang tidak berdimensi dinyatakan olehi*iL=2FcDTegangan yang dihasilkan E diperoleh menggunakan tekanan parsial (atau fraksi mol) darihidrogen sebagai bahan bakar, dan produk antara H 2 O dan O 2 pada TPB melalui persamaan Nerst[7]0,5⎡ P ⎤HP0 RT2 O2E = E + ln⎢⎥(37)2F⎢⎣PH2O⎥⎦0Dalam persamaan (37), E adalah tegangan pada tekanan standar dan R adalah konstanta gas.Konsentrasi polarisasi ( ∆ Vconc) didefinisikan kehilangan tegangan karena hilangnya konsentrasibahan bakar hidrogen melalui anoda (media berpori) pada x = 0 menuju x = L .concTg31= J*TPB(36)∆ V = E − E(38)

54 Irwan Ary Dharmawan, Dini Fitriani, Kusnahadi Susanto dan Wahyu Perdana YudistiawanDalam persamaan (37) nilai Egditentukan dengan menggunakan nilai fraksi mol H 2 dan H 2 Oyaitu 0.47 dan 0.03. Sedangkan nilai ETPBditentukan dengan menggunakan nilai fraksi mol padaTPB menggunakan model LB.3. Hasil dan diskusi3.1. Validasi metoda LBDalam validasi ini kita akan membandingkan antara nilai konsentrasi polarisasi dengan nilai arusyang disimulasikan menggunakan LB. Hasilnya kemudian akan diplotkan dengan penelitiansebelumnya yang dikembangkan oleh Chan et.al [4] dan Zhao [8]. Hasil yang diperoleh disajikanpada gambar 2 di bawah iniGambar 2 Validasi model LB untuk porositas 0,3Media yang dipilih adalah media yang mempunyai porositas 0,3. Dari gambar terlihat bahwametoda prediksi metoda LB cukup sesuai dengan dua metoda lainnya, hal ini mengindikasikanbahwa model LB cukup akurat untuk memodelkan konsentrasi polarisasi dalam SOFCmenggunakan model dua dimensi. Perbedaan nilai konsentrasi polarisasi yang terjadi diprediksiterjadi karena perbedaan geometri untuk setiap metoda, sehingga menyebabkan faktor tourtuositasberbeda pula, sedangkan hal ini merupakan faktor yang cukup signifikan dalam kontribusipenghitungan nilai konsentrasi polarisasi. Selain itu, perbedaan inipun terjadi karena dalam modelLB digunakan sistem ternary yang artinya komponennya terdiri dari tiga jenis gas, sedangkanmodel yang lainnya menggunakan sistem binary atau yang terdiri atas dua jenis gas.3.2. Efek tortuositas pada laju difusiPada bagian ini akan disajikan kasus aliran fluida pada anoda dua dimensi. Anoda yang dijadikanobjek merupakan media berpori hasil rekonstruksi secara acak yang divariasikan menurutporositasnya. Terdapat lima macam geometri anoda pada kasus ini yang diperoleh dengan variasiporositas dari 0,60 s.d 0,85 dengan ukuran geometri sebesar 128 × 128 kisi. Pemilihan porositas

Simulasi Lattice Boltzmann untuk menentukan konsentrasi polarisasi pada Sel Oxide Fuel Cell 55bernilai tinggi ini dimaksudkan agar nilai konsentrasi polarisasi yang dihasilkan relatif lebih kecildibandingkan dengan porositas yang rendah [7].Besarnya konsentrasi awal dan fluks mol yang digunakan pada bagian ini sama persis dengan yangtelah dilakukan pada bagian 3.1. Simulasi dilakukan pada mesin komputer dengan prosesor quadcore 2.8 GHz dengan RAM sebesar 8 MB. Waktu yang diperlukan untuk mencapai keadaan tunakadalah delapan jam untuk setiap simulasinya.(a) (b) (c)(d)(e)Gambar 3. Profil kecepatan fluida H 20 untuk setiap geometrinya (a) porositas 0,6 (b) porositas0,7 (c) porositas 0,75 (d) porositas 0,8 (e) porositas 0,85Gambar 3 mengilustrasikan laju aliran fluida dihasilkan oleh H 2 O, bentuk geometri bola padamedia menandakan bentuk penghalang berupa padatan. Pemilihan gas ini semata-mata karena gastersebut mendapatkan perlakuan mol fluks yang lebih tinggi dibandingkan gas lainnya, sehinggapola fluks yang dihasilkan lebih jelas. Hasil yang diperoleh untuk gas H 2 tidak jauh berbedadengan hasil pada gambar 3, yang berbeda hanyalah skala nilai yang dihasilkan.Gambar 3 menjelaskan bahwa meskipun fluks yang diberikan untuk anoda media berpori inisangat rendah, namun dari hasil simulasi terlihat munculnya vorteks laminar di sekitar penghalang.Hal ini berlaku pula untuk gas H 2 . Pola aliran yang ditunjukkan pada gambar 3 menggambarkanbagaimana pengaruh trajektori fluida dalam hal ini tortuositas untuk setiap alirannya. Tortuositasmerupakan perbandingan antara trajektori fluida sebenarnya dari inlet menuju outlet denganpanjang geometri sepanjang aliran. Dari gambar 3 terlihat bahwa besarnya luas vorteks laminar

56 Irwan Ary Dharmawan, Dini Fitriani, Kusnahadi Susanto dan Wahyu Perdana Yudistiawanyang dihasilkan (warna gelap sekitar penghalang) adalah bernilai kecil seiring dengan besarnyanilai porositas. Pada porositas 0,85 (gambar 3.e) medan fluks yang dihasilkan (warna terang disekitar pori) lebih besar dibandingkan luas vorteks laminarnya, hal ini berbeda dengan apa yangdihasilkan oleh porositas terendah yaitu pada gambar 3(a), di mana luas vorteks laminarnya lebihbesar daripada medan fluks massanya.Fenomena ini menggambarkan bagaimana pengaruh dari efek tortuositas pada proses difusi gasmultikomponen. Secara umum nilai tortuositas tertinggi dihasilkan oleh bentuk geometri denganporositas yang lebih rendah. Hal ini menandakan bahwa geometri dengan porositas yang rendahakan menghasilkan tingginya resistansi difusi massa karena jejak aliran fluida akan semakinbersifat tortuos. Meskipun tidak dapat dijelaskan dengan gambar, fraksi mol H 2 O bervariasisepanjang arah vertikal dan fraksi terendah ditemukan pada daerah yang mendekati penghalang.3.3. Efek porositas dan fluks terhadap konsentrasi polarisasiKetika fraksi mol H 2 dan H 2 O pada anoda diketahui dengan menggunakan metoda LB, makakonsentrasi polarisasi dapat dihitung menggunakan persamaan (37) untuk mempelajari kinerja dariSOFC. Rendahnya konsentrasi bahan bakar pada anoda dapat mengindikasikan tingginyakehilangan polarisasi, sehingga dapat disimpulkan bahwa kehilangan ini akan terjadi pada mediadengan nilai porositas yang rendah dan nilai mol fluks yang tinggi. Konsentrasi polarisasi dihitungdengan memvariasikan nilai porositasnya, grafiknya seperti yang diilustrasikan pada gambar 4 dibawah ini.0.2Konsentrasi Polarisasi [V]0.150.10.05φ=.65φ=.70φ=.75φ=.80φ=.8500 0.05 0.1 0.15 0.2Rapat arus tak berdimensi ( i * )Gambar 4. Konsentrasi Polarisasi pada anoda untuk perbedaan nilai porositasDari gambar 4 terlihat bahwa semakin kecil porositasnya maka polarisasinya semakin menaik.**Seperti yang diharapkan, karena i proporsional dengan J , nilai polarisasi terkecil terjadi pada*nilai i yang rendah. Tren umum untuk kurva polarisasi akan sama untuk setiap nilai porositasanoda yang berbeda, namun semakin kecil porositas maka konsentrasi polarisasi menjadi menaik.Hal ini disebabkan karena reduksi fraksi mol H 2 pada anoda untuk porositas yang rendah.

Simulasi Lattice Boltzmann untuk menentukan konsentrasi polarisasi pada Sel Oxide Fuel Cell 57Menaiknya porositas pada anoda mengindikasikan semakin baiknya transport massa dalam bahanbakar dan rendahnya nilai konsentrasi polarisasi. Namun demikian, untuk porositas tinggi akanmenyebabkan rendahnya kekuatan mekanik dari media tersebut. Porositas dan struktur geometriyang optimum akan ada apabila kombinasi polarisasi (konsentrasi + aktivasi + ohmic) jugaminimum[6]. Khusus untuk konsentrasi aktivasi dan ohmic tidak dibahas dalam penelitian ini.4. KesimpulanMetoda Lattice Boltzmann (LB) telah dibangun untuk mensimulasikan transport massa dari H 2(bahan bakar) dan H 2 O (produk) dalam kehadiran gas N 2 pada struktur anoda berpori dalam SOFC.Struktur geometri yang kompleks mengindikasikan efek tortuositas pada proses difusi gassepanjang geometri. Secara numerik efek tortuositas dapat diukur, namun proses difusi satudimensi belum dapat digunakan untuk mengoptimalisasi proses transfer massa dalam bentukgeometri dua dimensi.Struktur berpori yang digunakan dalam model LB dihasilkan dari pencitraan SEM yangdikonversikan ke dalam bentuk digital. Hasil-hasil distribusi fraksi mol yang diperoleh untukvariasi nilai porositas dan mol fluks. Dengan turunnya nilai porositas, konsentrasi bahan bakarpada anoda secara drastis akan berkurang, hal ini mengindikasikan besarnya nilai konsentrasipolarisasi, dan demikian pula sebaliknya dengan besarnya nilai porositas maka akan turunnya nilaikonsentrasi polarisasi yang mengakibatkan meningkatnya kinerja dari sel bahan bakar. Namun dilain pihak, besarnya nilai porositas akan mengurangi nilai kekuatan mekanik dari bahan.Perhitungan konsentrasi polarisasi belum merupakan jaminan dalam meningkatkan kinerja dari selbahan bakar, perlu adanya perhitungan konsetrasi lain seperti aktivasi dan ohmik untukmemberikan gambaran yang utuh tentang kinerja dari sel bahan bakar.Ucapan TerimakasihPenulis berterimakasih pada DIKTI yang telah membiayai penelitain ini melalui program HibahBersaing 2010 No : 005/SP2H/PP/DP2M/III/2010.Daftar Pustaka1. S.C. Singhal. Science and Techologi of Solid-Oxide Fuel Cells MRS Bull. Vol 25, No.3, 200 p16-212. Eileen J. De Guire, A Solide Oxide Fuell Cell , Journal of Electrochemical Society (128) 6,20033. S.H.Chan, Z.T. Chia, Anode Micro Model of Solid Oxide Fuel Cell, Journal of theElectrochemical Society, 148 (4) 2001.4. S.H.Chan, K.A.Khor, Z.T.Chia, A complete polarization model of a solid oxide fuel cell and itssensitivity to the change of cell component thickness, Journal of Power Sources (87) 4, 2000.5. Yakabe, M. Uratani, I. Yasuda, Evaluation and modeling of performance of anode-supportedsolid oxide fuel cell, Journal of Power Sources (86) 20006. Abhijit S. Joshi, Kyle N. Grew, Aldo A. Peracchio, Wilson K. Chiu, Lattice boltzmannmodeling of 2D gas transport in a solid oxide fuel cell anode, Journal of Power Sources (164),20077. Abhijit S. Joshi, Kyle N. Grew, Aldo A. Peracchio, Wilson K. Chiu, Lattice boltzmann methodfor continuum, multi-component diffusion in complex 2D geometries, Journal of AppliedPhysics (40) 2007.8. Feng Zhao, Anil F. Virkar, Dependence of polarization in anode-supported solid oxide fuelcells on various cell parameters, Journal of Power Sources (141) 5, 2005

Jurnal Material dan Energi IndonesiaVol. 01, No. 01 (2011) 58 – 70© Jurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranPENELITIAN BAHAN THERMOELEKTRIKBAGI APLIKASI KONVERSI ENERGI DI MASA MENDATANG(REVIEW ARTICLE)INGE M. SUTJAHJA †Grup Riset Fisika Magnetik dan FotonikFakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamInstitut Teknologi BandungJl. Ganesha No. 10, Bandung 40132Indonesiaditerima 22 Oktober 2010revisi 10 Februari 2011dipublikasikan 28 Februari 2011Abstrak. Bahan thermoelektrik adalah bahan unik yang dapat mengkonversi energi panas menjadi energilistrik, atau sebaliknya yang ramah lingkungan. Kinerja dari bahan thermoelektrik ditentukan oleh nilai figureof merit (FOM) yang didefinisikan sebagai T=(S 2 σ/κ)/T, dengan S adalah koefisien Seebeck, σ adalahkonduktivitas 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 yangrelatif masih rendah. Dalam makalah ini direview hasil penelitian bahan thermoelektrik baru dalam usahauntuk meningkatkan kinerjanya untuk aplikasi. Teknik yang digunakan berupa manipulasi sifat fisis bahandengan ‘induksi’ elemen tertentu (“rattler”), manipulasi struktur kristal dengan struktur nano, daninvestigasi 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 electricalenergy, or vise versa, with environmental friendly properties. In general the performance of the thermoelectricmaterial is determined by its figure of merit (FOM) defined by ZT=(S 2 σ/κ)/T, where S is the Seebeckcoefficient, σ is the electrical conductivity, κ is the thermal conductivity, and T is the operating temperaturemeasured in Kelvin. The conventional thermoelectric device commonly used alloy bulk binary semiconductormaterials. However its application is limited by its relatively low efficiency compared to otherenergy 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 materialswith “rattler”, crystal structure manipulation by using nanostructure, and investigation of new bulk oxidematerials 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 energilistrik, atau sebaliknya, tanpa menghasilkan gas beracun karbondioksida maupun polutan lainseperti elemen logam berat (ramah lingkungan). Di dalam kehidupan manusia di muka bumi inienergi panas terutama dihasilkan dari cahaya matahari; energi panas yang tidak berguna banyak† email : inge@fi.itb.ac.id58

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 59pula dihasilkan dari limbah industri (pabrik) maupun dari kegiatan antropogenik manusia sepertikendaraan bermotor (automotive) dan pemakaian AC (air conditioning). Dengan demikian, denganmenggunakan bahan thermoelektrik ini, energi panas yang jumlahnya berlebih atau tidak bergunadapat dikonversi menjadi energi listrik yang berguna bagi kehidupan manusia, terutama bagi daerah-daerahterpencil atau terisolir dimana distribusi energi listrik masih memerlukan transmisitransmisienergi. Dalam skala aplikasi yang lebih besar, material thermoelektrik ini diharapkandapat digunakan sebagai sumber energi alternatif untuk menggantikan energi dari bahan bakarfosil yang bersifat tak terbarukan, sejajar dengan sumber-sumber energi alternatif yang lain sepertitenaga air, geotermal, energi surya, energi angin, energi berbahan bakar biogas, dan energi nuklir.SS 2 σσκ eκκ lGambar 1. Kebergantungan dari parameter-parameter thermoelektrik: konduktivitas listrik (σ ), thermopower (S), dankonduktivitas 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=22( S σ ) T ( S σ )κT=κ + κel(1)dimana T adalah temperatur mutlak, S adalah thermopower atau koefisien Seebeck, σ (=1/ρ) adalahkonduktivitas (resistivitas) listrik, dan κ adalah konduktivitas thermal total yang merupakanjumlahan dari kontribusi elektronik (κ e ) dan kontribusi kisi (κ l ). Nilai konduktivitas thermalelektronik berhubungan dengan konduktivitas listrik menurut hukum Wiedemann-Franz [1,2],κe 0≅ L σT(2)

60 Inge M. Sutjahjadimana L 0 = 2,44 x 10 -8 V 2 /K 2 adalah nilai Sommerfeld dari bilangan Lorenz. Seperti diperlihatkandalam Gambar 1, secara umum nilai-nilai parameter S, σ, dan κ e bergantung pada konsentrasipembawa 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 tertentuuntuk nilai konsentrasi pembawa muatan yang optimum sekitar n ≈10 19 /cm 3 [1]. Dalam hal inidiperlukan nilai yang besar dari mobilitas pembawa muatan untuk mencapai nilai konduktivitaslistrik maksimum untuk suatu konsentrasi pembawa muatan tertentu. Dengan demikian dapat disimpulkanbahwa kinerja dari bahan thermoelektrik terutama ditentukan oleh pembawa muatanlistrik 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. Secaraumum nilai thermopower dari suatu bahan bergantung pada temperatur bahan dan strukturkristalnya. Dapat disebutkan bahwa umumnya logam memiliki nilai S yang relatif kecil berkaitandengan pita valensi yang terisi setengah penuh. Dalam hal ini, baik elektron (muatan negatif) danlubang (muatan positif) berkontribusi secara bersamaan pada nilai S dengan tanda yang saling berlawanan,sehingga menghasilkan nilai S total yang relatif kecil. Sebaliknya, bahan semikonduktordapat didoping oleh elektron atau lubang (melalui doping elemen lain) sehingga dapat menghasilkannilai S yang lebih besar, dimana tanda dari nilai S yang dihasilkan sesuai dengan mayoritasjenis pembawa muatan. Di sisi lain, bahan superkonduktor memiliki nilai thermopower sama dengannol berhubungan dengan nilai entropi nol dari pembawa muatan yang dikenal dengan namapasangan Cooper.Prinsip kerja bahan thermoelektrik adalah berdasarkan efek Peltier (produksi dari gradientemperatur oleh arus listrik), efek Seebeck (konversi langsung gradien temperatur menjadi aruslistrik atau daya listrik), dan efek Thomson (pendinginan atau pemanasan dari sebuah konduktorpembawa arus oleh sebuah gradien temperatur) [2,3]. Hal ini memberikan banyak keuntungan daripemakaian bahan thermoelektrik bagi aplikasi devais semikonduktor dan elektronik lain karenamerupakan refrigerator bahan-padat (solid-state refrigerator) yaitu tanpa adanya bagian-bagianyang bergerak atau bervibrasi, performa yang baik berhubungan dengan kemampuannya untukmelokalisasi “spot” pendinginan, bersifat ramah lingkungan, dan dapat dengan mudah digunakandalam 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 61Devais 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 dapatdipakai sebagai devais generator daya dan pompa panas, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.Dapat disebutkan secara singkat bahwa prinsip kerja generator daya adalah dengan memberikansebuah 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 junctionsehingga 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 binarysemikonduktor yang tersusun dari pasangan elemen material thermoelektrik berbeda (tipe-n dantipe-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 yangoptimum [1,4]. Variasi nilai ZT terhadap temperatur dari beberapa bahan thermoelektrikkonvensional tipe-p dan tipe-n diperlihatkan dalam Gambar 3 [3,5]. Walaupun demikian,penggunaan devais thermoelektrik konvensional ini dibatasi oleh nilai efisiensinya yang relatifmasih rendah. Hal ini berkaitan dengan sulitnya memanipulasi ketiga parameter S, σ and κ, untukmencapai nilai ZT yang besar pada bahan-bahan padatan konvensional. Fakta menunjukkan bahwamodifikasi pada satu parameter tersebut akan mempengaruhi nilai parameter yang lain, sehingganilai ZT tidak berubah secara signifikan. Dengan demikian, pada daerah temperatur ruang nilai ZTdari bahan thermoelektrik konvensional hanya berkisar pada angka satu, yang jauh berbeda dengannilai ZT sekitar 4 yang diperlukan dalam skala aplikasi. Gambar 4 menunjukkan perbandingannilai performansi atau efisiensi dari bahan thermoelektrik dibandingkan dengan metoda konversienergi yang lain [6]. Dari gambar tersebut terlihat bahwa nilai performansi (efisiensi) dari

62 Inge M. Sutjahjateknologi berbasis bahan thermoelektrik (ZT = 0,5) masih jauh di bawah nilai dari teknologi yanglain yang memiliki nilai ZT yang lebih besarGambar 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 olehnilai ZT = 0,5.Berbagai upaya telah dilakukan oleh para peneliti mancanegara untuk melahirkan bahan-bahanthermoelektrik baru yang dapat menghasilkan nilai ZT yang lebih tinggi bagi keperluan aplikasi.Secara prinsip nilai efisiensi thermoelektrik yang tinggi memerlukan material dengan nilaikonduktivitas listrik yang besar (untuk mereduksi efek pemanasan diri atau self-heatingberhubungan dengan arus listrik yang melewati devais), koefisien Seebeck yang tinggi (untukmenghasilkan tegangan yang besar di dalam generator daya dan koefisien Peltier yang besar didalam proses pendinginan), dan konduktivitas thermal yang rendah (untuk menghasilkan bedatemperatur 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’ elementertentu (“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 bahandengan film tipis atau struktur dimensi rendah (struktur nano) menunjukkan peningkatan nilai ZTthermoelektrik yang cukup signifikan [2,3,6,11,12].Semikonduktor dengan “rattler”Bergantung pada bagaimana baiknya sifat konduktivitas listrik dan buruknya sifat konduktivitasthermal dari suatu bahan tertentu, Glen Slack (Rensselaer Polytechnic Institute) mengkarakterisasimaterial sebagai semikonduktor "holey" atau "unholey". Pengelompokkan ini berdasarkan prinsipbahwa bahan thermoelektrik yang baik harus bersifat seperti sebuah material “phonon-glass,electron-crystal” (PGEC), atau dengan kata lain bahan thermoelektrik tersebut harus memiliki sifatthermal seperti sebuah glass dan sifat elektronik seperti sebuah kristal [2,3,7].Konsep Slack dari semikonduktor holey untuk bahan thermoelektrik yang baru berpusat padaminimisasi nilai konduktivitas thermal kisi dengan memasukkan atom-atom lain yang tidak terikat("rattlers") ke dalam lubang-lubang di dalam struktur bahan. Berkaitan dengan hilangnyaketeraturan berjangkauan panjang (long-range order), atom-atom rattlers ini akan bergerak bebas

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 63di dalam lubang dan dengan demikian menghamburkan fonon (kuantisasi vibrasi kisi), yang padagilirannya akan mereduksi secara efektif dan meminimalkan nilai konduktivitas thermal kisi. Dariinvestigasi ini dikenal beberapa material baru yang disebut sebagai skutterudites [2,3,7,13,14] danclathrates [2,3,7].Transition Metal Atom(Co, Rh, Ir)Metalloids atau PnicogenAtom (P, As, Sb)Void Space/Filler IonGambar 5. Struktur kristal dari binary skutterudites [14].Secara umum material skutterudites dengan rumus pokok ReTm 4 M 12 adalah suatu senyawakompleks yang terdiri dari elemen tanah jarang (Re), logam tansisi (Tm) dan Pnicogen ataumetalloids (M). Nama skutterudites berasal dari nama mineral alami skutterudite atau CoAs 3 yangditemukan 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 tersebutterlihat bahwa binary skutterudites memiliki dua ruang kosong yang besar dalam tiap unit selsatuan. Pengisian tempat kosong tersebut dengan ion-ion tanah jarang bervalensi +3 denganukuran diameter yang relatif kecil dan massa yang relatif besar akan berakibat pada reduksikonduktivitas 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. SutjahjaGambar 6 menunjukkan secara nyata penurunan nilai konduktivitas thermal kisi dari materialskutterudites Ir 0.5 Rh 0.5 Sb 3 (dibandingkan dengan IrSb 3 ), dan ReIr 4 (Ge 3 Sb 9 ) untuk Re = La, Sm, danNd [14]. Selanjutnya, peningkatan nilai ZT dari beberapa material bulk skutterudites dibandingkandengan bahan thermoelektrik konvensional dan kebergantungannya terhadap temperaturditunjukkan dalam Gambar 7 [15].Kelas lain dari bahan thermoelektrik baru dengan konsep semikonduktor holey yang menjanjikanpeningkatan nilai ZT yang cukup signifikan adalah clathrates. Material ini, seperti halnyaskutterudites, juga menunjukkan struktur seperti perangkap dan mekanisme “rattling” untukmenurunkan nilai konduktivitas thermal. Terdapat dua tipe material clathrate, yaitu clathrates tipe Idengan rumus umum X 2 Y 6 E 46 (X dan Y masing-masing adalah logam alkali, alkali tanah ataulogam tanah jarang yang berlaku sebagai atom “rattler”, dan E adalah elemen grup IV) danclathrates 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 sertakebergantunganya sebagai fungsi dari temperatur [15].Material clathrates tipe I menunjukkan sifat-sifat fisis menarik yang jarang ditemui dalam bahanpadat lain, antara lain nilai konduktivitas thermal yang cukup kecil dan variasinya yang menariksebagai fungsi dari temperatur. Sebagai contoh, nilai konduktivitas thermal pada temperatur ruangdari semikonduktor Sr 8 Ga 16 Ge 30 lebih rendah dari bahan vitreous silica dan sangat dekat denganamorphous 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 tinggikonduktivitas termal menunjukkan sebuah nilai minimum atau dip yang mengindikasikan suatuproses hamburan resonansi. Studi intensif hasil-hasil eksperimen dan kajian teori menunjukkankorelasi antara sifat-sifat thermal, ultrasound, dan optik dengan struktur kristal bahan, yangmerupakan indikasi kuat dari kehadiran hamburan resonansi dari fonon akustik dengan modus“rattle” optik frekuensi rendah, yang pada gilirannya menentukan sifat transport thermal di dalambahan clathrate. Hasil refinement struktur kristal pada suhu ruang dari data pengukuran hamburanneutron dan difraksi sinar X menunjukkan parameter perpindahan atomik yang besar untuk atomatomdi dalam struktur dari clathrate tipe I. Hal ini mengindikasikan disorder terlokalisasi di dalam

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 65polihedra di sekitar vibrasi termal umum. Material tertentu dari clathrates tipe I sepertiSr 8 Ga 16 Ge 30 dan Eu 8 Ga 16 Ge 30 menunjukkan konduktivitas thermal sperti glass dan mobilitaspembawa muatan yang besar, sehingga dapat dipandang sebagai “phonon glass–electron crystal”(PGEC). Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa keadaan penerobosan (tunneling states) dankeadaan “rattling” pada material clathrate diperlukan untuk menghasilkan nilai konduktivitasthermal yang kecil, yang pada gilirannya dapat meningkatkan nilai ZT. Lebih jauh, bentuk kristaldari material ini menunjukkan sifat-sifat fisis yang lebih kaya, termasuk di dalamnya adalahkelakukan semikonduktif dan superkonduktif, dengan sifat-sifat thermal seperti bahan amorphous.Kebanyakan bahan thermoelektrik konvensional yang telah banyak dikaji sebelumnya merupakansistem binary intermetalik semikonduktor. Dengan demikian investigasi bahan baru berfokus padasistem ternary dan quaternary chalcogenides yang mengandung atom berat dengan strukturkompleks isotropik atau berdimensi rendah [6]. Sistem ini merupakan bahan semikonduktorunholey dengan massa efektif pembawa muatan yang besar dan konduktivitas thermal kisi yangkecil. Termasuk contoh dari material chalcogenide ini adalah CsBi 4 Te 6 (Bi 2 Te 3 yang diisi olehelemen Cs) [19] dan pentatelluride (HfTe 5 and ZfTe 5 ) [20]. Hasil eksperimen menunjukkan bahwanilai 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 didopingdengan Selenium melebihi nilai yang dicapai oleh material Bi 2 Te 3 pada suhu rendah. Dengandemikian dapat disimpulkan bahwa material semikonduktor unholey ini memiliki potensi sifatelektronik yang baik pada temperatur rendah, yang dapat berperan sebagai bahan thermoelektriktemperatur rendah (T < 220 K).Struktur nanoMaterial struktur nano menjanjikan konversi energi thermoelektrik yang lebih efisiendibandingkan dengan material bulk. Hal ini terutama berkaitan dengan fakta bahwa di dalamstruktur 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 dikenalsebagai efek pembatasan kuantum (quantum confinement) dapat meningkatkan nilai koefisienSeebeck dan konduktivitas listrik. Efek pembatasan kuantum dapat dicapai, contohnya, melaluireduksi dari dimensi sistem (struktur film tipis atau nanowire). Gambar 8 menunjukkan prediksinilai 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 eratdengan peningkatan efek pembatasan kuantum dengan reduksi dimensionalitas efektif sistem.

66 Inge M. SutjahjaGambar 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 dariperubahan sifat-sifat transport thermal pada skala nano. Sebagai contoh, investigasi eksperimentaldari sifat transport panas di dalam superlattice menunjukkan bahwa walaupun lapisan-lapisandalam struktur tersebut merupakan kristal tunggal dengan kualitas baik, nilai konduktivitas thermalefektif yang dihasilkan jauh lebih rendah dari bahan bulk, dan juga lebih kecil dari nilaikonduktivitas thermal dari bahan aloy dengan komposisi ekivalen. Hal ini terkait erat denganperan 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 danperbandingannya dengan bahan thermoelektrik bulk diperlihatkan dalam Gambar 9 [21]. Darigambar tersebut, peningkatan nilai performansi thermoelektrik hingga mencapai nilai ZT ≈ 2,4pada T ≈ 330 K diperoleh pada superlattices Bi 2 Te 3 /Sb 2 Te 3 dan ZT ≈ 1,3 – 1,6 pada struktursuperlattices quantum dot PbTe/PbTeSe. Struktur dari kedua material tersebut ditunjukkan secarakualitatif dalam Gambar 10. Ekperimen menunjukkan bahwa kontribusi utama pada peningkatannilai ZT dari material superlattices bersumber dari reduksi konduktivitas thermal kisi daripadapeningkatan dari faktor daya. Sebaliknya, peningkatan nilai koefisien Seebeck yang cukupsignifikan diamati pada material struktur nanowire (Gambar 10 (c)), antara lain sistem nanowireBi, BiSb, dan BiTe [6].Bahan Bulk BaruDibandingkan dengan bahan thermoelektrik yang lain, bahan oksida bulk menarik dari sisi sifatkimiawinya yang stabil pada temperatur tinggi dan sifatnya yang tidak beracun. Loncatan besarpada investigasi material bulk thermoelektrik dimulai dengan penemuan sistem oksida kobaltberlapis Na x CoO 2 dengan nilai S mencapai 100 µV/K pada temperatur ruang [9,10]. Selain bersifatthermoelektrik, 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 berlapisyang lainnya adalah pada lapisan blok. Pada sistem Na x CoO 2 , lapisan blok hanya terdiri darilapisan Na tunggal dimana Na terorder secara struktur, sedangkan lapisan blok pada sistem lainterdiri dari lapisan rock-salt yang tebal dengan tipe NaCl, yang berlaku sebagai lapisan reservoarmuatan untuk menjamin stabilisasi struktur secara elektrostatik. Dalam hal ini, variasi dopingdapat dilakukan dengan mengubah kation atau komposisi oksigen. Di sisi lain, sistem oksidakobalt selain Na x CoO 2 menunjukkan struktur misfit dari kedua lapisan blok (modulasi dalambidang basal oktahedral), yang merupakan parameter penting dalam peningkatan nilai dayathermopower sistem yang bersangkutan [28].

68 Inge M. SutjahjaGambar 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 sistemelektron yang terkorelasi kuat (strongly correlated electron system) yang memegang peranansangat penting bagi peningkatan nilai daya thermopower (S) [29]. Hal ini berkaitan dengandegenerasi karakteristik yang diasosiasikan dengan derajat kebebasan spin dan orbital dalamkeadaan lokal dari ion-ion Co 3+ dan Co 4+ . Keadaan lokal tersebut dikarakterisasi oleh konfigurasielektron 3d dengan derajat degenerasi lipat 5 dalam orbital-orbital 3 t 2g dan 2 e g , yang ditentukanoleh 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 spintotal 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 masingmasingkeadaan tersebut memiliki derajat degenerasi (g) yang berbeda sesuai dengan perkalianantara derajat degenerasi orbital g L dan derajat degenerasi spin g S (= 2S + 1).Secara teoritis, Koshibae telah menurunkan nilai ekspektasi thermopower pada daerah temperaturyang cukup tinggi melalui modifikasi rumusan Heikes [29],kB⎛ g3 x ⎞S = − ln⎜⎟(3)e ⎝ g41−x ⎠dimana g 3 (g 4 ) adalah derajat degenerasi ion Co dalam keadaan valensi Co 3+ (Co 4+ ), serta x adalahjumlah atau konsentrasi doping. Rumusan ini telah berhasil memprediksi nilai thermopower darimaterial Na x CoO 2 sesuai dengan hasil eksperimen, yaitu prediksi keadaan spin rendah (LS) dariion-ion Co 3+ dan Co 4+ dalam bahan. Selain itu, rumusan ini juga dapat dipakai untuk memprediksitanda dan nilai thermopower dari material oksida lain berbasis logam transisi (jika valensi ionikdari logam tersebut dapat memiliki keadaan divalensi seperti ion Co), dan dengan mengatur derajatdegenerasi yang bersesuaian. Beberapa contoh diperlihatkan dalam Tabel 1 berikut, dengan tingkatkesesuaian yang tinggi dengan hasil eksperimen [27].

Penelitian Bahan Thermoelektrik Bagi Konversi Energi di Masa Mendatang 69Tabel 1: Nilai ekspektasi thermopower dari material oksida lain berbasis logam transisi [27].Ion logam transisig − ( e) ln( g g )3g 4Ti 3+ (3d 1 ), Ti 4+ (3d 0 ) 6 / 1 - 154V 3+ (3d 2 ), V 4+ (3d 1 ) 9 / 6 - 35Cr 3+ (3d 3 ), Cr 4+ (3d 2 ) 4 / 9 70Mn 3+ (3d 4 ), Mn 4+ (3d 3 ) 10 / 4 - 79Rh 3+ (4d 6 ), Rh 4+ (4d 5 ) 1 / 6 154k B34, µV/KUcapan TerimakasihSebagian hasil penelitian yang disajikan dalam artikel ini didukung oleh Riset Ikatan Alumni ITBtahun anggaran 2010-2011.Daftar Pustaka1. 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 MARCH20063. Jyrki Tervo, Antti Manninen, Risto Ilola & Hannu Hänninen, State-of-the-art of thermoelectricmaterials 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 energyconversion, 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 PotentialThermoelectric Applications, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 691 © 2002 Materials ResearchSociety.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 theXVI International Conference on Thermoelectrics, Dresden, Germany, August 26-29, 199714. 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 PointPresentation, The University of Mississippi.15. Terry M. Tritt & Mas Subramanian, MRS Bulletin TE Theme, March 200616. 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. Sutjahja18. 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, “RecentDevelopments in Thermoelectric Materials, “ International Materials Reviews, Vol. 48.22. K. Takada, H. Sakurai, E. Takayama-Muromachi, F. Izumi, R.A. Dilanian, T. Sasaki, Nature422, 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 inTransition Metal Oxides, Hong Kong, Dec. 18, 2006.28. H. Leligny, D. Grebille, O. Perez, A.C. Masset, M. Hervieu, and B. Raveau, Acta CrystallographicaSection B, B56, 173-182 (1999).29. W. Koshibae, T. Tsutsui and S. Maekawa, Phys. Rev. B 62, 6869 (2000).

INDEKS PENULISAAlamta Singarimbun, 31Andika Nurcahyo, 22Annisa Aprilia, 40Annisa Aprilia, 7Arief Goeritno, 22Asep Suheri, 22Ayi Bahtiar, 7DD Wahyudi, 15Darminto, 1Dewanto Saptoadi, 22Dini Fitriani, 47FFebie Angelia Perdana, 1Fitrilawati, 7HHerman, 40IInge M. Sutjahja, 59Irwan Ary Dharmawan, 47Iwan Sumirat, 22KKusnahadi Susanto, 47MMalik Anjelh Baqiya, 1Mashuri, 1Mulya Juarsa, 22PPriastuti Wulandari, 40RRahmat Hidayat, 40Robi Irsamukhti, 31SSri Wahyu Suciyati, 15TTriwikantoro, 1WWarsito, 15Wildan Khoiron, 15INDEKS SUBJEKAAkumulator, 15, 19, 20, 21BBahan thermoelektrik, 58, 59, 60, 61, 62, 64,65, 67Bulk-heterojunction, 7, 8, 14DDiskritisasi beda hingga, 31EEnergi terbarukan, 15FFigure of merit, 58, 59Fluks energi, 31, 33, 34, 35, 36, 37Fotodioda, 40, 42, 45Fotovoltaik, 40, 41, 45KKoefisien Seebeck, 58, 59, 62, 63, 65, 67Konduktivitas thermal, 58, 59, 62, 63, 64,65, 66, 67Konsentrasi polarisasi, 47, 48, 49, 53, 54,55, 56, 47MMassa, 22, 25, 26, 27, 28, 29, 32, 33, 34, 36,48, 53Medium berpori, 31, 32Metode lattice Boltzmann, 47Molekul aditif, 7, 8, 9, 11, 12, 13NNanohidro, 15, 16, 17, 18, 19, 21Nanopartikel, 1,2, 3, 4, 5OOptical spacer, 7, 8, 9, 11, 13PPolialkiltiofen, 40, 41Polietilen Glikol, 1Polimer terkonjugasi, 8, 41, 41, 43RReservoir panas bumi, 31, 33, 39Resistivitas listrik, 59SSel surya hibrid, 40, 41, 44, 45Sel-surya polimer, 7, 9, 11Sirkulasi alamiah, 22, 23Sol-gel, 9, 40, 41, 44, 45TThermopower, 58, 59, 60, 68, 68ZZnO, 40, 41, 44, 4573

Panduan Persiapan NaskahPanduan Umum.Editor menerima makalah dalam Bahasa Indonesia maupunBahasa Inggris. Karena itu, teks naskah ditulis dalam bahasaIndonesia (dapat juga dalam bahasa Inggris) menggunakanpiranti lunak pengolah-kata Microsoft Office. Teks dibuatdalam satu kolom, rata kiri, huruf Times New Romance,ukuran 12, spasi Double. Margin kiri, atas, kanan dan bawahmasing-masing adalah 4, 2,5, 3 dan 2,5 cm. Tiap halamandibubuhi nomor halaman dan baris teks dibubuhi nomorguna proses review. Gunakan format yang sesederhanamungkin karena editor akan memformat ulang sesuaidengan format akhir publikasi guna kesergaman formatpada Jurnal Material dan Energi Indonesia (JMEI).Tataletak Naskah:Naskah terdiri dari Halaman Muka, Teks,Ilustrasi/Gambar/Grafik, Tabel dan Data Tambahan.Masing-masing dijelaskan sebagai berikut.1. Halaman Mukao Judul. Harus singkat dan informatif. Hindari singkatandan rumus pada judul jika memungkinkano Nama penulis dan afiliasi. Nama lengkap seluruhpenulis ditulis. Nama institusi, alamat institusi, namanegara jika ada dan alamat email ditulis lengkap setelahbaris nama-penulis. Hubungan nama penulis danafiliasinya ditunjukan dengan angka superskrip.o Penulis koresponden. Tunjukan dengan jelas penulisyang menangani korespondensi selama tahappengirimin, revisi dan publikasi. Di samping alamatemail dan kode pos alamat, tuliskan juga nomor telepon,faksimili (kode negara jika ada).2. Struktur Teks Naskaho Abstrak. Tuliskan abstrak dengan singkat dan faktual. Isiabstrak harus dengan singkat menggambarkan tujuanpenelitian, hasil-hasil mendasar dan simpulan pentingatas isi makalah. Abstrak seringkali disajikan terpisahdari makalah sehingga harus bersifat berdiri-sendiri.Oleh karena itu, dalam abstrak tidak diperkenankanacuan dan referensi maupun persamaan matematik.Abstrak harus kurang dari 200 kata, tidak bolehmengandung singkatan dan harus disertakan maksimumlima kata kunci yang relevan. Abstrak (Abstract) dalambahasa Inggris juga harus dibuat dan harus dituliskanlima keywords.Gunakan subseksi (seksi bernomor) untuk penomoransubseksi naskah anda. Subseksi diberi nomor 1.1 (kemudian1.1.1, 1.1.2, ...), 1.2, dan seterusnya (Abstrak/abstract tidaktermasuk dalam penomoran seksi). Tiap judul subseksiharus ditulis sesingkat mungkin.o Pendahuluan. Tuliskan tujuan beserta latar belakangyang relevan atas pekerjaan penelitian.o Bahan dan metoda. Berikan informasi detail yangmemadai untuk pembaca yang tertarik untukmelakukan-ulang penelitian tersebut. Metoda-metodayang digunakan namun telah dipublikasikan harus diacudalam naskah.o Eksperimen. Berikan informasi detail yang memadaiuntuk pembaca yang tertarik untuk melakukan-ulangpenelitian tersebut. Metoda-metoda yang digunakannamun telah dipublikasikan harus diacu dalam naskah.o Teori/perhitungan. Bagian teori harus memperluas,bukan mengulang, latar belakang yang telahdiungkapkan di bagian Pendahuluan. SedangkanPerhitungan menyajikan implementasi praktik daridasar teori tersebut. Jika memungkinkan, bagian inidapat digabung dengan seksi Hasil dan Diskusi.o Hasil. Hasil penelitian harus dinyatakandengan jelas dan singkat. Sebaiknya hasilbersifat kuantitatif, numerik dan spesifik.o Diskusi. Seksi diskusi sebaiknya membahasinformasi penting yang terkandung dalam hasildan membahas pentingnya hasil yang telahdiperoleh dan disajikan bukan hanyamenceritakan (narasi) atas hasil tersebut. Hasildan diskusi dapat juga digabungkan dalam satuseksi. Hindari acuan dan diskusi yangberlebihan atas literatur yang ditulis di DaftarPustaka.o Simpulan. Tuliskan simpulan utama ataspenelitian tersebut di seksi Simpulan. SeksiSimpulan bersifat berdiri-sendiri tidakterhubung dengan seksi Hasil dan Diskusi.Seksi Simpulan suatu makalah ilmiah tidakboleh sama dengan bagian Abstrak. Simpulanmemuat rangkuman hasil umum; penemuanunik dan kuantitatif harus ditekankan di sinidengan implifikasi yang lebih luas daripadaAbstrak. Perbandingan dengan hasil-hasilsebelumnya dapat juga dimuat.o Lampiran. Jika terdapat lebih dari satulampiran maka dapat dituliskan dengan notasiLampiran A, B, dst. Rumus dan Persamaandalam bagian Lampiran harus diberi nomorberbeda dengan isi teks, contoh Pers. (A.1),Pers. (A.2), dst; persamaan dalam lampiranselanjutnyadiberi nomor Pers. (B.1) dst. Begitujuga dengan nomor tabel dan gambar dalamLampiran: Tabel A.1; Fig. A.1, dst.3. Gambar. Ilustrasi/gambar/grafik diletakkan setelahbagian Teks Naskah. Letakkan tiap gambar besertanomor dan keterangannya pada tiap halaman.4. Informasi Pelengkap. Data tambahan yang kiranyatidak dapat masuk ke teks namundirasa perluuntuk mendukung hasil dan diskusi dapatdimasukan di bagian Data Pelengkap di halamanterakhir setelah bagian Gambar..Panduan Tambahan:Ucapan Terima KasihUcapan terima kasih dibuat dalam satu seksi sebelumseksi Daftar Pustaka. Jangan menulikan ucapan terimakasih pada halaman muka atau sebagai catatan-kaki.Ucapan terima kasih ditujukan pada individu atauinstitusi yang memberikan bantuan selama penelitian(mis. membantu dalam penyediaan dana, bantuaneksperimen dan diskusi, dsj) tanpa menuliskan gelarakademik, gelar sosial maupun gelar keagamaan.SatuanSatuan besaran fisis dinyatakan dengan sisteminternasional (SI) atau jika dinyatakan dengan satuanlain, sertakan pula kesetaraaannya dalam SI.71

Nomenklatur dan SatuannyaNomenklatur dan satuannya menggunakan sisteminternasional (SI). Jika menggunakan sistem lain. Tuliskankesetaraaannya dalam SI.Persamaan MatematikaRumus matematika ditulis dengan Equation Editor 2.0,Microsft Office. Setiap persamaan yang dirujuk dalammakalah harus menggunakan penomoran denganmenggunakan tanda kurung ”( )”. Penomoran diawali sesuaidengan kemunculannya secara berurut.Tampilan (Artwork)Penggunaan huruf dan ukuran huruf harus seragam.Teks yang tercantum di dalam grafik harus disimpan dalambentuk file ”image”.Gunakan jenis huruf Arial, Times New Romance, Courier didalam ilustrasi/gambar/grafik.Ilustrasi/gambar/grafik dibuat dengan ukuran yang sesuaidengan ukuran cetaknya.Ilustrasi/gambar/grafik dimuat di halaman setelah halamanteks.Format. Ilustrasi/gambar/grafik dibuat dalam format grafikfile TIFF dengan resolusi 300 dpi.Warna. Jika dimungkinkan untuk tidak menggunakan warna,grafik dapat dibuat dalam warna hitam-putih.Keterangan Gambar (Caption). Bubuhi nomor berurut padailustrasi/gambar/grafik. Berikan keterangan (caption) dangambaran atas setiap gambar dengan singkat dan informatif.Teks pada Grafik. Ukuran teks pada grafik seperti judulgrafik, judul dan nilai pada sumbu-sumbu grafik, legenda,simbol dan keterangan tambahan pada grafik harus dibuatproporsional sehingga dapat terbaca jelas meskipun grafiktersebut diperkecil hingga 50% . Kejelasan tampilanpenyajian ilustrasi/gambar/grafik adalah tanggung jawabpenulis. Untuk kejelasan informasi pada grafik yang ingindisampaikan, penulis harus antisipasi dan perhitungkan halini.TabelTabel dibubuhi nomor berurut sesuai kemunculannyadalam teks. Catatan kaki tabel diletakkan di bawah tabeldan dituliskan dengan huruf-kecil superskrip.Daftar PustakaAcuan Dalam Teks. Setiap literatur yang diacu di dalamteks harus ada di dalam seksi Daftar Pustaka. Jugasebaliknya, setiap literatur yang ditulis di Daftar Pustakaharus diacu di dalam teks.Format Daftar Pustaka. Daftar literatur di seksi DaftarPustaka ditulis dengan penomoran angka berurut (1, 2,3, ... dst) sesuai dengan urutan kemunculannya di dalamteks. Urutan informasi pada setiap literatur adalahNama penulis, Judul, Nama Jurnal, Edisi (volume),(Tahun), Halaman.Contoh penulisan daftar pustaka adalah sebagai berikut.Data yang tidak dipublikasi tidak boleh dimasukkandalam daftar pustaka.1. Y. Rosandi et.al., Phys. Rev. Lett. 104, 075501(2010)2. D.A. Nield and A. Bejan, Convection in PorousMedia (Springer, New York, 2006)3. K. Ernstons, In Groundwater geophysics, ed.Reinhard Kirsch (Springer, Heidelberg, 2006)4. P. P. Edwards, in Superconductivity andApplications — Proc. Taiwan Int. Symp. onSuperconductivity, ed. P. T. Wu et al. (WorldScientific, Singapore, 1989), pp. 29–35.5. I. A. Dharmawan, Disertasi Doktor, InstitutTeknologi Bandung, Bandung, 20066. J.S. Moon, “Lattice Boltzmann method for bloodflow”, MEYS preprint, November 20007. J. I. Katz, “The Ptolemaic Gamma-Ray BurstUniverse”, astro-ph/920400372

PENERBITJurusan Fisika FMIPA Universitas PadjadjaranJl. Raya Bandung-Sumedang Km 21 Jatinangor 45363Telp: 022 779 6014, Fax: 022 779 2435Email : head@phys.unpad.ac.idISSN: 2087-748X