Ny tilgang øger ydeevnen i termoelektriske materialer

Termoelektriske materialer betragtes som en vigtig ressource for fremtiden - i stand til at producere elektricitet fra varmekilder, der ellers ville gå til spilde, fra kraftværker, bilrør og andre steder, uden at generere yderligere drivhusgasser. Selvom der er opdaget en række materialer med termoelektriske egenskaber, de fleste producerer for lidt strøm til praktiske anvendelser.

Et team af forskere - fra universiteter i hele USA og Kina, samt Oak Ridge National Laboratory - rapporterer om en ny mekanisme til at øge ydeevnen gennem højere mobilitet, øger hvor hurtigt ladningsbærende elektroner kan bevæge sig hen over materialet. Arbejdet, rapporterede i denne uge i Procedurer fra National Academy of Science , fokuseret på et nyligt opdaget n-type magnesium-antimonmateriale med en relativt høj termoelektrisk fortjeneste, men hovedforfatter Zhifeng Ren sagde, at konceptet også kunne gælde andre materialer.

"Når du forbedrer mobiliteten, du forbedrer elektrontransport og generel ydeevne, "sagde Ren, MD Anderson Formand professor i fysik ved University of Houston og hovedforsker ved Texas Center for Superconductivity ved UH.

Termoelektriske materialer producerer elektricitet ved at udnytte strømmen af ​​varmestrøm fra et varmere område til et køligere område, og deres effektivitet beregnes som mål for, hvor godt materialet omdanner varme til strøm. Imidlertid, fordi spildvarme både er en rigelig og gratis brændstofkilde, konverteringsfrekvensen er mindre vigtig end den samlede mængde strøm, der kan produceres, Sagde Ren. Det har fået forskere til at lede efter måder at forbedre effektfaktoren for termoelektriske materialer.

Paul Ching-Wu Chu, TLL Temple Chair of Science, grundlægger og chefforsker for Texas Center for Superconductivity, bemærkede, at Ren tidligere havde demonstreret vigtigheden af ​​et materiales effektfaktor for at bestemme, hvor godt det vil fungere i en termoelektrisk enhed. Chu er medforfatter til dette seneste værk, som han sagde "demonstrerer i n-type magnesium-antimon-baserede materialer, at effektfaktoren faktisk kan forbedres ved korrekt afstemning af bærerens spredning i materialet."

"Det giver en ny vej til mere kraftfulde termoelektriske enheder, " han tilføjede.

Termoelektriske halvledere findes i to varianter, n-type, skabt ved at udskifte et element, hvilket resulterer i en "fri" elektron til at bære ladningen, og p-type, hvor det udskiftende element har en færre elektron end det element, det erstattede, efterlader et "hul", der letter bevægelse af energi, når elektronerne bevæger sig hen over materialet for at fylde det ledige sted.

Arbejdet rapporterede i PNAS imødekommer behovet for en mere kraftfuld n-type magnesium-antimonforbindelse, udvide sit potentiale som et termoelektrisk materiale, der kan parres med et effektivt magnesium-antimonmateriale af p-type, som tidligere var rapporteret.

Materialets effektfaktor kan øges ved at øge transportørens mobilitet, sagde forskerne. "Her rapporterer vi en væsentlig forbedring af bærermobilitet ved at indstille bærerspredningsmekanismen i n-type Mg3Sb2-baserede materialer, "skrev de." ... Vores resultater viser klart, at strategien med at indstille bærerspredningsmekanismen er ganske effektiv til forbedring af mobiliteten og også bør kunne anvendes på andre materielle systemer. "

Forskerne erstattede en lille brøkdel af magnesium i forbindelsen med en række overgangsmetalelementer, herunder jern, kobolt, hafnium og tantal, at bestemme, hvordan man bedst kan øge transportørens mobilitet og, igennem det, materialets effektfaktor.

"Vores arbejde, "konkluderer forskerne, "demonstrerer, at bærerspredningsmekanismen kunne spille en afgørende rolle i materialets termoelektriske egenskaber, og konceptet med at indstille bærerspredningsmekanismen bør være bredt anvendeligt på en række materialesystemer. "