Forskning giver betydelig termoelektrisk ydeevne

Forskere ved U.S. Department of Energy's National Renewable Energy Laboratory (NREL) rapporterede om betydelige fremskridt i den termoelektriske ydeevne af organiske halvledere baseret på carbon nanorør tynde film, der kunne integreres i stoffer for at omdanne spildvarme til elektricitet eller tjene som en lille strømkilde.

Forskningen viser et betydeligt potentiale for halvledende enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er) som det primære materiale til effektive termoelektriske generatorer, snarere end at blive brugt som en komponent i et "komposit" termoelektrisk materiale indeholdende, for eksempel, kulstof nanorør og en polymer. Opdagelsen er skitseret i det nye Energi- og miljøvidenskab papir, Store n- og p-type termoelektriske effektfaktorer fra doterede halvledende enkeltvæggede kulstof nanorør tynde film.

"Der er nogle iboende fordele ved at gøre tingene på denne måde, " sagde Jeffrey Blackburn, en senior videnskabsmand i NREL's Chemical and Materials Science and Technology center og co-lead forfatter af papiret sammen med Andrew Ferguson. Disse fordele inkluderer løftet om løsningsbearbejdede halvledere, der er lette og fleksible og billige at fremstille. Andre NREL-forfattere er Bradley MacLeod, Rachelle Ihly, Zbyslaw Owczarczyk, og Katherine Hurst. NREL-forfatterne gik også sammen med samarbejdspartnere fra University of Denver og partnere ved International Thermodyne, Inc., baseret i Charlotte, N.C.

Ferguson, også seniorforsker i Chemical and Materials Science and Technology Center, sagde, at indførelsen af ​​SWCNT i stoffer kunne tjene en vigtig funktion for "bærbar" personlig elektronik. Ved at opfange kropsvarmen og omdanne den til elektricitet, halvlederen kunne drive bærbar elektronik eller sensorer indlejret i tøj.

Blackburn og Ferguson udgav to artikler sidste år om SWCNT'er, og den nye forskning bygger på deres tidligere arbejde. Det første papir, i Nature Energy, viste det potentiale, som SWCNT'er har til termoelektriske applikationer, men filmene fremstillet i denne undersøgelse bibeholdt en stor mængde isolerende polymer. Det andet papir, i ACS Energy Letters, viste, at fjernelse af denne "sorterende" polymer fra en eksemplarisk SWNCT tynd film forbedrede termoelektriske egenskaber.

Det nyeste papir afslørede, at fjernelse af polymerer fra alle SWCNT-udgangsmaterialer tjente til at øge den termoelektriske ydeevne og føre til forbedringer i, hvordan ladningsbærere bevæger sig gennem halvlederen. Artiklen viste også, at den samme tynde SWCNT-film opnåede identisk ydeevne, når den var dopet med enten positive eller negative ladningsbærere. Disse to typer materiale - kaldet p-type og n-type ben, - er nødvendige for at generere tilstrækkelig strøm i en termoelektrisk enhed. Halvledende polymerer, et andet stærkt studeret organisk termoelektrisk materiale, producerer typisk n-type materialer, der yder meget dårligere end deres p-type modstykker. Det faktum, at SWCNT tynde film kan lave p-type og n-type ben af ​​det samme materiale med identisk ydeevne betyder, at den elektriske strøm i hvert ben i sagens natur er afbalanceret, hvilket skulle forenkle fremstillingen af ​​en enhed. De højest ydende materialer havde ydeevnemålinger, der overstiger nuværende state-of-the-art løsnings-forarbejdede halvledende polymere organiske termoelektriske materialer.

"Vi kunne faktisk fremstille enheden af ​​et enkelt materiale, " sagde Ferguson. "I traditionelle termoelektriske materialer skal du tage et stykke, der er p-type og et stykke, der er n-type og derefter samle dem til en enhed."