Kebutuhan energi dunia terus meningkat seiring bertambahnya populasi dan perkembangan industri. Sumber energi konvensional yang masih didominasi oleh bahan bakar fosil menyebabkan permasalahan lingkungan akibat emisi karbon yang semakin tinggi. Oleh karena itu, pengembangan material baru yang dapat menghasilkan energi bersih dan efisien menjadi perhatian utama para ilmuwan. Salah satu material yang menarik perhatian adalah oksida perovskit ganda yang memiliki potensi besar dalam aplikasi energi hijau, seperti sel surya dan generator termoelektrik.
Dalam studi terbaru, Dr Angga Dito Fauzi dari Fisika Universitas Airlangga (UNAIR) bekerja sama dengan kolaborator asal Pakistan mengeksplorasi efek substitusi nikel (Ni) pada oksida perovskit ganda Ba2MgWO6 untuk meningkatkan sifat optoelektronik dan termoelektriknya. Penelitian ini dilakukan menggunakan pendekatan density functional theory (DFT) guna memahami perubahan struktur elektronik, optik, dan konduktivitas termal akibat substitusi Ni.
Penelitian ini menganalisis lima komposisi berbeda dari Ba2MgWO6, yaitu dengan substitusi Ni sebesar 0%, 25%, 50%, 75%, dan 100%. Hasil simulasi menunjukkan bahwa substitusi Ni secara signifikan mempengaruhi sifat elektronik dan optik material ini. Penyempitan celah energi (band gap) dari 3,17 eV menjadi 1,87 eV pada 100% Ni mengindikasikan peningkatan penyerapan cahaya dalam spektrum tampak, yang sangat penting bagi efisiensi sel surya. Dengan menurunnya band gap, koefisien absorpsi meningkat hingga mencapai ~10⁴ cm⁻¹ dan konduktivitas optik juga mengalami peningkatan yang menjanjikan bagi aplikasi dalam perangkat optoelektronik.
Selain itu, penelitian ini juga menemukan bahwa faktor keunggulan termoelektrik (figure of merit, ZT) meningkat dari 0,84 menjadi 0,96 pada suhu kamar yang menandakan efisiensi konversi energi panas menjadi listrik yang lebih baik. Koefisien Seebeck yang meningkat secara signifikan menunjukkan bahwa material ini dapat menghasilkan tegangan listrik yang lebih tinggi dari perbedaan suhu. Studi kestabilan menunjukkan bahwa semua komposisi yang diuji tetap stabil dalam struktur kristalnya, dan material ini juga menunjukkan sifat mekanik yang memadai untuk berbagai aplikasi teknologi.
Keunggulan dari material ini juga terlihat pada sifat mekanik dan stabilitas strukturalnya. Perhitungan menunjukkan bahwa substitusi Ni tidak hanya mengurangi band gap, tetapi juga meningkatkan kekuatan mekanik dan stabilitas termodinamika. Ini berarti material ini memiliki ketahanan yang baik terhadap tekanan mekanik dan perubahan suhu, menjadikannya lebih andal untuk aplikasi dalam perangkat energi terbarukan.
Dari sudut pandang manufaktur, material ini memiliki keuntungan karena dapat diproses dengan metode sintesis yang relatif sederhana dan murah dibandingkan dengan material semikonduktor lainnya yang digunakan dalam industri energi. Hal ini menjadikan Ba2MgWO6 dengan substitusi Ni sebagai kandidat yang menarik untuk pengembangan teknologi energi terbarukan berbasis material perovskit.
Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa substitusi Ni dalam Ba2MgWO6 dapat secara efektif menyesuaikan sifat elektronik dan optiknya untuk meningkatkan efisiensi dalam perangkat energi terbarukan. Dengan band gap yang lebih kecil dan peningkatan konduktivitas optik, material ini berpotensi besar digunakan dalam sel surya generasi baru. Selain itu, peningkatan faktor ZT dalam aplikasi termoelektrik membuka peluang untuk pemanfaatan limbah panas industri sebagai sumber energi listrik.
Dari perspektif lingkungan, penggunaan material ini juga dapat mengurangi ketergantungan pada bahan bakar fosil dan emisi karbon yang dihasilkan dari pembangkit listrik konvensional. Dengan semakin meningkatnya kebutuhan akan energi bersih, inovasi dalam bidang material semikonduktor seperti ini akan menjadi salah satu solusi utama untuk menghadapi krisis energi di masa depan.
Seiring dengan pengembangan teknologi, penting untuk melakukan penelitian lebih lanjut dalam skala industri guna memastikan bahwa material ini dapat diaplikasikan secara luas. Salah satu tantangan yang harus diatasi adalah optimalisasi metode sintesis agar efisiensi dan stabilitas material tetap terjaga dalam jangka panjang. Selain itu, kolaborasi antara akademisi, industri, dan pemerintah sangat diperlukan untuk mempercepat penerapan teknologi berbasis perovskit ini dalam solusi energi masa depan.
Jika berhasil dikembangkan lebih lanjut, material ini tidak hanya dapat digunakan dalam sel surya dan termoelektrik, tetapi juga dalam berbagai aplikasi lain seperti sensor optik, perangkat penyimpanan energi, dan sistem pendingin berbasis efek termoelektrik. Oleh karena itu, eksplorasi material perovskit ganda seperti Ba2MgWO6 dengan substitusi Ni dapat menjadi langkah maju dalam upaya menciptakan teknologi energi yang lebih ramah lingkungan dan efisien.
Penelitian ini menegaskan bahwa substitusi Ni dalam oksida perovskit ganda Ba2MgWO6 dapat meningkatkan kinerja optoelektronik dan termoelektrik material tersebut. Dengan demikian, material ini menawarkan solusi potensial dalam pengembangan teknologi energi bersih dan efisien. Studi lebih lanjut mengenai fabrikasi dan pengujian eksperimental perlu dilakukan guna merealisasikan aplikasi material ini dalam skala industri. Dengan kemajuan dalam rekayasa material seperti ini, harapan akan masa depan energi yang lebih ramah lingkungan semakin nyata.
Penulis: Angga Dito Fauzi, S.Si., M.Si., Ph.D.
Judul Artikel: Boosting optoelectronic and thermoelectric performance of double perovskite oxide Ba2MgWO6 with Ni substitution: A first-principles study
Link Artikel: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X25000684
