Abstrak — Penelitian ini bertujuan untuk  melakukan fabrikasi dan  simulasi  modul  termoelektrik cooler dengan  material semikonduktor Bismuth Telluride (Bi 2 Te 3 ). Hasil yang diperoleh dari  penelitian  ini  adalah  semakin  tinggi  nilai  arus  yang diberikan,  maka  perbedaan  temperatur  yang  dihasilkan  oleh modul  akan  semakin  tinggi  dan  penyusunan  semikonduktor secara  seri  mampu  menghasilkan  perbedaan  temperatur tertinggi.  Koefisien  performansi  (COP)  modul  termoelektrik cooler dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain, arus yang diberikan, resistansi listrik, koefisien seebeck , dan konduktansi termal  modul.  Nilai  temperatur  terendah  berturut-turut dihasilkan oleh modul tiga pada arus lima Ampere, modul dua pad arus 4,5 Ampere, dan modul satu pada arus empat Ampere. Nilai  koefisien  performansi  modul  satu  pada  arus  empat Ampere adalah 0,12881± 0,000005; pada modul dua saat dialiri arus 4,5 ampere adalah 0,63361± 0,000005; dan pada modul tiga saat  dialiri  arus  lima  ampere  adalah  0,92906±  0,000005.  Nilai error hasil pengukuran dan simulasi berturut-turut pada modul satu, modul dua, dan modul tiga adalah  7,041%; 5,577%; dan 10,387%.
Keyword— cooler, thermoelectric, COP, resistansi.

## I. PENDAHULUAN
EMPERATUR rata-rata  permukaan  bumi  meningkat setiap tahun sebesar 1,1 derajat celcius [1]. Temperatur permukaan  bumi  yang  meningkat  menyebabkan  kebutuhan terhadap alat pendingin ruangan bertambah. Pada umumnya, peralatan pendingin memerlukan cairan pendingin ( refrigerant )  untuk  beroperasi  dan  yang  kerap  digunakan adalah freon .  Penggunaan  freon  memiliki  dampak  negatif karena  dapat  merusak  ozon  atau  disebut  sebagai Ozon Depleting  Substance (ODS).  Jenis  pendingin  lain  adalah hidrokarbon yang bersifat mudah terbakar.
Melihat  permasalahan  di  atas,  untuk  menghasilkan temperatur  dingin  perlu  adanya  jenis  pendingin  lain  yang dapat  menggantikan refrigerant salah  satunya  adalah termoelektrik.  Termoelektrik  akan  menghasilkan  perbedaan temperatur  ketika  dialiri  arus  listrik  atau  sebaliknya  [2]. Untuk  menghasilkan  temperatur  dingin,  termoelektrik  tidak mengeluarkan  zat  sisa  yang  mencemari  lingkungan  [3]. Dengan kemampuan tersebut, termoelektrik berpotensi untuk dikembangkan sebagai teknologi pendingin.
Modul termoelektrik dibagi menjadi dua jenis berdasarkan prinsip  kerjanya.  Termoelektrik generator bekerja  ketika kedua  sisi  modul  terjadi  perbedaan  temperatur  maka  akan menghasilkan  tegangan  listrik  diantara  ujung-ujungnya. Besarnya  energi  listrik  yang  dihasilkan  dipengaruhi  salah satunya  oleh  perbedaan  temperatur  yang  terjadi  pada  sisi panas  dan  sisi  dingin.  Termoelektrik cooler bekerja  ketika
modul  termoelektrik  dialiri  arus  listrik  pada  ujung-ujung semikonduktor, maka akan terjadi perbedaan temperatur pada pada  kedua  sisi  modul.    Energi  panas  yang  dihasilkan  dan diserap  dipengaruhi  oleh  input  daya  listrik  pada termoelektrik. Termoelektrik generator bekerja berdasarkan efek seebeck dan  termoelektrik cooler bekerja  berdasarkan efek peltier.
Efek seebeck merupakan  suatu  efek  adanya  perbedaan temperatur pada suatu material, yang menyebabkan pembawa muatan mengalir dari sumber panas menuju sisi dingin seperti ilustrasi  pada  gambar  1  dan  gambar  2.  Aliran  pembawa muatan ini akan memunculkan beda potensial diantara kedua ujunganya  yang  sebanding  dengan  perbedaan  temperatur yang  diberikan.  Perbandingan  antara  perbedaan  temperatur dengan  beda  potensial  merupakan  sifat  intrinsik  material yang  disebut  dengan  koefisien seebeck atau thermopower [4][5] .
α = − ∆V ∆T = Vhot−Vcold Thot−Tcold (1)
Kualitas dari suatu modul termoelektrik cooler dilihat dari nilai koefisien performansinya . Koefisien performansi (COP) merupakan  perbandingan  dari  kalor  yang  diserap  oleh  sisi dingin tiap detik dan selisih kalor yang dikeluarkan sisi panas dan  diserap  sisi  dingin  tiap  detik . Koefisien  performansi suatu  termoelektrik cooler dapat  ditentukan  berdasarkan persamaan berikut.
COP = Q̇c Q̇h−Q̇c (2)
Dimana Q̇ h merupakan  kalor  yang  dikuarkan  pada  sisi panas per satuan waktu dan Q̇ c merupakan kalor yang diserap oleh sisi dingin per satuan  waktu. Nilai kalor  yang dibuang pada  sisi  panas  dan  diserap  oleh  dingin  dapat  dihitung berdasarkan persamaan di bawah ini.
Q̇ h = αIT h − K(T h − T c ) + 1 2 RI 2 (3) Q̇ c = αIT c − K(T h − T c ) − 1 2 RI 2 (4)
Suku  pertama  persamaan  diatas  merupakan  efek peltier dan merupakan proses reveribel. Semakin besar efek peltier- nya  semakin  besar  pendinginannya.  Bentuk  kedua merupakan  konduktansi  termal  dan  termasuk  proses irreversible.  Bentuk  ketiga  adalah  pemanasan  Joule  dan termasuk  proses  irreversibel. α p adalah  koefisien seebeck tipe-p dan α n koefisien seebeck tipe-n. L merupakan panjang
Fabrikasi dan Simulasi Termoelektrik Cooler Menggunakan Material Semikonduktor Bismuth Telluride (Bi 2 Te 3 ) dan Software ANSYS
Nilna Fauzia, Melania Suweni Muntini, Diky Anggoro, dan Bachtera Indarto Departemen Fisika-FIA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya, 61111 e-mail : nilna.putrifauzia@gmail.com, melania@physics.its.ac.id, dan anggorodiky@gmail.com
T
kaki material semikonduktor serta N adalah jumlah pasangan material semikonduktor pada modul[6]–[8].
Material-material semikonduktor sebagai bahan penyusun modul termoelektrik memiliki berbagai sifat fisis dan dimensi yang  berbeda-beda.  Nilai  koefisien  performansi  sebuah modul ditentukan oleh sifat fisis material antara lain resistansi listrik,  konduktansi  termal,  dan  koefisien seebeck modul. Selain  itu,  dimensi  material  dan  konfigurasi  penyusunan modul  juga  berpengaruh  terhadap  koefisien  performansi modul    [8].  Oleh  karena  itu,  dalam  penelitian  ini  dilakukan fabrikasi  modul  termoelektrik  dengan  konfigurasi  susunan padatan semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang berbeda-beda. Setelah dilakukan fabrikasi, dilakukan pengukuran terhadap masing-masing  modul  untuk  mengetahui  temperatur  panas dan  dingin  yang  dapat  dihasilkan  oleh  modul.  Selanjutnya, dilakukan perhitungan untuk mengetahui koefisien performansi dari masing-masing modul. Dilakukan simulasi dengan software ANSYS  12  untuk  mengetahui  perbedaan temperatur yang dihasilkan dalam simulasi, sehingga output hasil simulasi dapat dibandingkan dengan hasil pengukuran.

## II. METODOLOGI

## A. Fabrikasi Modul Termoelektrik Cooler
Sebelum  dimulai  fabrikasi,  desain  modul  TEC  disketsa terlebih dahulu dengan Software SolidWorks dalam bentuk 3 dimensi . Desain  modul  di  sketsa  sesuai  dengan  ukuran  real yang akan digunakan dalam proses fabrikasi.
Desain termoelektrik yang digunakan dalam penelitian ini merupakan  model  termoelektrik  Bulk  1  stage  dengan  3 konfigurasi susunan Bi 2 Te 3 tipe p dan tipe n sebagai berikut.
(a) (b)
Gambar 1. Struktur modul TEC (a) Bagian bawah (b) Bagian atas
Setelah sketsa selesai di lakukan, tahapan selanjutnya yaitu fabrikasi modul dengan metode soldering.  Dimensi alumina yang digunakan fabrikasi yaitu 22x20x1 mm. Tembaga yang digunakan  adalah  6x2,5x0,3  mm.  sedangkan  elemen semikonduktor  berukuran  2,5x2,5x1,5  mm.  Fabrikasi dilakukan  dengan  mensketsa  alumina  dengan  pensil. Kemudian  tembaga  yang  telah  dipotong  ditempel  di  atas alumina  dengan  lem.  Selanjutnya  material  tipe-p  dan  tipe-n diletakkan diatas tembaga sesuai dengan desain menggunakan solder. Dipastikan sambungan antar material- copper  sesuai  desain.  Lalu,  diatas  material  diletakkan tembaga,  dan  diatas  tembaga  diletakkan  alumina  pada  sisi atas. Pada tiap-tip ujung modul di sambungkan dengan kabel. Lalu diukur resistansi modul, jika resistansi nya dalam satuan Ohm,  sambungan  antar  komponen  di  dalam  modul  sesuai. Gambar 2 adalah proses fabrikasi modul

## Gambar 2. Pengukuran Modul Termoelektrik Cooler
Sebelum  dilakukan  pengukuran  modul,  pertama-tama modul  dialiri  arus  listrik  untuk  mengetahui coldside dan hotside pada  modul.  Setelah  diketahui  sisi  dingin  dan panasnya,  kemudian  peralatan  dirangkai  seperti  Gambar  2. Modul  TEC  dihubungkan  dengan power  supply .  Pada  sisi panas  modul  ditempel water  block sebagai cooler untuk membuang  panas  yang  dihasilkan  oleh  modul.  Lalu  pada kedua sisi modul ditempel termokopel tipe-k untuk merekam temperatur  secara  simultan.  Kemudian  ujung  termokopel tipe-k yang lain dihubungkan dengan ADC Converter untuk mengubah  sinyal  analog  menuju  digital.  ADC  converter dihubungkan dengan personal computer , data hasil rekaman temperatur  oleh  termokopel  tipe-k  ditampilkan  di personal computer sehingga  dapat  diketahui  perbedaaan  temperatur antara dua sisi.
Proses perekaman temperatur dimulai dari pemberian arus 0,5  Ampere  selama  400  detik.  Perekaman  temperatur dilakukan  dalam  jangka  waktu  tersebut  untuk  memperoleh temperatur  stabil  setelah  terjadi  kenaikan  temperatur  akibat penambahan  arus.  Setelah  dilakukan  perekaman  temperatur dalam jangka waktu tertentu, kemudian file di simpan dalam excel.  Kemudian  arus  dinaikkan  hingga  satu  Ampere  dan dilakukan  perekaman  temperatur  selama  500  detik. Dilakukan  cara  yang  sama  untuk  temperatur  1,5  Ampere hingga lima Ampere pada modul satu, modul dua, dan modul tiga.

## B. Simulasi Modul Termoelektrik Cooler
Simulasi  dilakukan  dengan  software  ANSYS  12  untuk mengetahui  perbedaan  temperature  diantara  2  sisi  modul. Dalam  mensimulasikan  modul  thermoelectric  cooler, diperlukan datasheet sifat-sifat material yang digunakan yaitu konduktivitas  termal,  resistivitas  listrik,  dan  koefisien seebeck.  Pada  proses  fabrikasi  digunakan  timah  untuk merekatkan tembaga dengan material semikonduktor. Maka dalam proses simulasi  dimasukkan timah dengan ketebalan 0,5mm. Dalam simulasi dimasukan parameter input Heatflow sesuai  dengan  nilai  Qc  hasil  perhitungan  dengan  arah  dari atas. Simulasi dilakukan pada modul 1, 2, dan 3 dengan arus masukan pada semikonduktor tipe-n  sebesar 0,5 A hingga 5 A  dengan  kelipatan  0,5.  Tegangan  pada  material  tipe  p  di setting 0 V. Temperatur panas di setting pada bagian bawah sehingga diperoleh nilai temperature dingin pada sisi atas.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Termoelektrik cooler bekerja  berdasarkan  prinsip  efek peltier .  Efek peltier merupakan  sebuah  efek  yang  terjadi ketika dua bahan semikonduktor berbeda disambungkan dan dialiri  arus  listrik  maka  akan  terjadi  perbedaan  temperatur diantara kedua ujungnya. Modul termoelektrik cooler terdiri dari beberapa pasangan semikonduktor. Perbedaan temperatur diantara dua sisi dapat terjadi karena arus listrik masuk  ke  dalam  bahan  semikonduktor  tipe-n,  yang  mana mayoritas  pembawa  muatannya  adalah  elektron.  Ketika dialiri  arus,  elektron  pada  semikonduktor  tipe-p  mengalir menuju semikonduktor tipe-p. Karena tipe-p memiliki energi kurang  dari  tipe-n,  maka  elektron  menyerap  kalor  dari lingkungan  agar  memperoleh  cukup  energi  untuk  mengalir. Oleh karena itu, sisi tempat elektron menyerap kalor terjadi temperatur  dingin.  Setelah  elektron  tiba  pada  tipe-n,  energi kalor  dialirkan  menuju  sisi  yang  lainnya.  Lalu  elektron mengalir dari semikonduktor tipe-n ke semikonduktor tipe-p. Karena  mengalir  dari  tingkat  energi  yang  lebih  tinggi  ke tingkat  energi  yang  lebih  rendah,  maka  elektron  melepas energi kalor ke lingkungan. Oleh karena itu pada sisi elektron melepas kalor terjadi temperatur panas.
Selanjutnya  hasil  perhitungan  tersebut  digunakan  untuk menghitung  koefisien  performansi  modul.  Koefisien performansi  suatu  modul  merupakan  ukuran  perbandingan antara kalor yang diserap oleh sisi dingin dengan daya yang masuk pada modul. Daya yang masuk pada modul merupakan selisih  antara  kalor  yang  dibuang  pada  sisi  panas  tiap detiknya( Q̇ h ) dengan  kalor  yang  diserap  sisi  dingin  tiap detiknya (Q̇ c ) .  Untuk  menghitung  koefisien  performansi modul,  digunakan  persamaan  (2),  (3),  dan  (4).  Gambar  4, adalah grafik koefisien performansi modul dari ketiga modul pada setiap arus yang mengalir.
Gambar 4. Koefisien Performansi Modul Termoelektrik Cooler

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan  analisisdata  dan  pembahasan  yang  telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa nilai temperatur terendah berturut-turut  dihasilkan  oleh  modul  tiga,  modul  dua,  dan modul  satu.  Adapun  nilai  temperatur  terendah  yang dihasilkan modul tiga adalah 15,99234 o C ± 0,000005 o C pada aliran  arus  lima  Ampere,  pada  modul  dua  adalah  21,99714 o C± 0,000005 o C pada aliran arus 4,5 Ampere dan pada modul satu adalah 22,50381 o C± 0,000005 o C  pada aliran arus empat Ampere.  Nilai  koefisien  performansi  modul  satu  pada  arus empat  Ampere adalah 0,12881± 0,000005; pada modul dua saat dialiri arus 4,5 ampere adalah 0,63361± 0,000005; dan pada  modul  tiga  saat  dialiri  arus  lima  ampere  adalah 0,92906±  0,000005.  Nilai  error  perbandingan  beda
temperatur antara hasil simulasi dan pengukuran untuk modul satu, modul dua, dan modul tiga berturut-turut adalah 7,04%; 5,58%; dan 10,39%.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  N. Febrianti, “Hubungan Pemanasan Global dengan Temperatur Udara dan Curah Hujan di Indoensia,” Bandung.
[2]  A.  Gokhale,  P.,  Loganathan,  B.,  Crowe,  J.,  Date,  Ashwin,  Date, “Development  of  Flexible  Thermoelectric  Cells  and  Performance Investigation  of  Thermoelectric  Materials  for  Power  Generation,” Energy Procedia , 2017.
[3]  Y. Cai, D. Liu, F.-Y. Zhao, and J.-F. Tang, “Performance analysis and assessment  of  thermoelectric  micro  cooler  for  electronic  devices,” Energy Convers. Manag. , vol. 124, pp. 203–211, Sep. 2016.
[4]  J.  W.  Fergus,  “Oxide  materials  for  high  temperature  thermoelectric energy conversion,” J. Eur. Ceram. Soc , vol. 32, pp. 525–540, 2012.
[5]  S.  C.  Puspita,  “Generator  Termoelektrik  untuk  Pengisian  Aki,”  ITS Surabaya, 2017.
[6]  B.  J.  Huang,  C.  J.  Chin,  and  C.  L.  Duang,  “A  design  method  of thermoelectric cooler.”
[7]  M. Ma and J. Yu, “An analysis on a two-stage cascade thermoelectric cooler for electronics cooling applications,” Int. J. Refrig. , vol. 38, pp. 352–357, Feb. 2014.
[8]  D. Mitrani, J. Salazar, A. Turó, M. J. García, and J. A. Chávez, “One- dimensional  modeling  of  TE  devices  considering  temperature- dependent parameters using SPICE,” Microelectronics J. , vol. 40, no. 9, pp. 1398–1405, Sep. 2009.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 Modul 1 Modul 2 Modul 3 Koe fisie n Per for ma nsi, [CO P] Arus, I, [A]