Termoelektrisk strømproduktion ved stuetemperatur:Kommer snart?

Termoelektriske (TE) materialer kan spille en nøglerolle i fremtidige teknologier. Selvom anvendelserne af disse bemærkelsesværdige forbindelser længe har været udforsket, de er for det meste begrænset til højtemperaturenheder. For nylig, forskere ved Osaka University, i samarbejde med Hitachi, Ltd., udviklet et nyt TE-materiale med en forbedret effektfaktor ved stuetemperatur. Deres studie, udgivet i Physica Status Solidi RRL , kunne hjælpe med at bringe disse materialer ud af højtemperaturnichen og ind i mainstream.

TE-materialer viser den termoelektriske effekt:påfør varme på den ene side, og en elektrisk strøm begynder at løbe. Omvendt køre en ekstern strøm gennem enheden, og en temperaturgradient dannes; dvs. den ene side bliver varmere end den anden. Ved at konvertere varme og elektricitet, TE-materialer kan bruges som enten strømgeneratorer (med en varmekilde) eller køleskabe (med strømforsyning).

Det ideelle TE-materiale kombinerer høj elektrisk ledningsevne, lader strømmen flyde, med lav varmeledningsevne, hvilket forhindrer temperaturgradienten i at udjævne. Effektiviteten afhænger hovedsageligt af "effektfaktoren, " som er proportional med både elektrisk ledningsevne og et udtryk kaldet Seebeck-koefficienten.

"Desværre, de fleste TE-materialer er ofte baseret på sjældne eller giftige elementer, " siger medforfatter Sora-at Tanusilp. "For at løse dette, vi kombinerede silicium - som er almindeligt i TE-materialer - med ytterbium, at skabe ytterbiumsilicid [YbSi ₂ ]. Vi valgte ytterbium frem for andre metaller af flere grunde. Først, dens forbindelser er gode elektriske ledere. Sekund, YbSi ₂ er ugiftigt. I øvrigt, denne forbindelse har en specifik egenskab kaldet valensfluktuation, der gør det til et godt TE-materiale ved lave temperaturer."

Den første fordel ved YbSi ₂ er, at Yb-atomerne optager en blanding af valenstilstande, både +2 og +3. Denne udsving, også kendt som Kondo-resonans, øger Seebeck-koefficienten med at holde metallignende høj elektrisk ledningsevne ved lav temperatur, og dermed effektfaktoren.

Sekund, YbSi ₂ har en usædvanlig lagdelt struktur. Mens Yb-atomerne optager krystalplaner, der ligner rent Yb-metal, Si-atomerne danner sekskantede plader mellem disse planer, ligner kulstofpladerne i grafit. Dette blokerer ledningen af ​​varme gennem materialet, og holder derfor den termiske ledningsevne nede, bevarelse af temperaturgradienten. Forskerne mener, at varmeledning undertrykkes yderligere ved at kontrollere strukturen i nanoskala og spor af urenheder og andre defekter.

Resultatet er en opmuntrende høj effektfaktor på 2,2 mWm ^-1 K ^-2 ved stuetemperatur. Dette er konkurrencedygtigt med konventionelle TE-materialer baseret på vismuttellurid. Som den tilsvarende forfatter til denne undersøgelse Ken Kurosaki forklarer, "Brugen af ​​Yb viser, at vi kan forene de modstridende behov for TE-materialer ved omhyggeligt at vælge de rigtige metaller. TE'er ved stuetemperatur, med moderat kraft, kan ses som et supplement til den konventionelle højtemperatur, højeffekt enheder. Dette kan hjælpe med at låse op for fordelene ved TE i dagligdags teknologi."