Højeffektive termoelektriske materialer:Ny indsigt i tinselenid

Tinselenid kan betydeligt overstige effektiviteten af ​​nuværende rekordholdende termoelektriske materialer fremstillet af bismuttellurid. Imidlertid, man troede, at dens effektivitet kun steg dramatisk ved temperaturer over 500 grader Celsius. Nu viser målinger ved synkrotronkilderne BESSY II og PETRA IV, at tinselenid også kan bruges som et termoelektrisk materiale ved stuetemperatur - så længe der påføres højt tryk.

Den termoelektriske effekt har været kendt siden 1821:med visse kombinationer af materialer, en temperaturforskel genererer en elektrisk strøm. Hvis den ene ende af prøven opvarmes, for eksempel ved at bruge spildvarme fra en forbrændingsmotor, så kan en del af denne ellers tabte energi omdannes til elektrisk energi. Imidlertid, den termoelektriske effekt i de fleste materialer er ekstremt lille. Dette skyldes, at for at opnå en stor termoelektrisk effekt, varmeledning skal være dårlig, hvorimod elektrisk ledningsevne skal være høj. Imidlertid, varmeledning og elektrisk ledningsevne er næsten altid tæt forbundet.

Af denne grund, søgningen efter termoelektriske materialer koncentrerer sig om forbindelser med specielle krystallinske strukturer såsom vismuttellurid (Bi ₂ Te ₃ ). Bismuth tellurid er et af de bedste termoelektriske materialer, der er kendt til dato. Imidlertid, både vismut og tellur er sjældne grundstoffer, som begrænser deres anvendelse i stor skala. Så søgningen fortsætter efter passende termoelektriske materialer blandt mere rigelige ikke-giftige elementer.

For seks år siden, et forskerhold fra USA opdagede, at tinselenid over 500 grader Celsius kan omdanne omkring 20 procent af varmen til elektrisk energi. Dette er en enorm effektivitet og overstiger betydeligt værdien for bismuttellurid. Ud over, tin og selen er rigeligt.

Denne ekstremt store termoelektriske effekt er relateret til en faseovergang eller omarrangering af krystalstrukturen af ​​tinselenid. Krystalstrukturen af ​​tinselenid består af mange lag, ligner filo eller butterdej. Ved 500 grader Celsius, lagene begynder at organisere sig selv, og varmeledningen falder, mens ladeudbydere forbliver mobile. Effektiviteten af ​​den termoelektriske effekt i denne krystallografiske orientering af tinselenid er ikke blevet overskredet af noget andet materiale til dato.

Højtryk virker

Et internationalt hold ledet af Dr. Ulrich Schade ved HZB har nu omfattende undersøgt prøver af tinselenid ved hjælp af infrarød spektroskopi ved BESSY II og hårde røntgenstråler ved PETRA IV. Målingerne viser, at den ønskede krystalstruktur frembringes af enten høj temperatur ved normalt tryk eller højt tryk (over 10 GPa) ved stuetemperatur. De elektroniske egenskaber ændrer sig også fra halvledende til semi-metalliske i højtemperaturstrukturen. Dette passer til forudsigelserne fra teoretiske beregninger af modellen og også fra båndstrukturberegninger.

"Vi er i stand til at forklare med vores data og vores beregninger, hvorfor tinselenid er et så fremragende termoelektrisk materiale over et bredt temperatur- og trykområde, " siger Schade. Yderligere udviklingsarbejde vil være nødvendigt for at sikre langsigtet stabilitet, for eksempel, før termoelektriske apparater baseret på tinselenid for alvor kommer på markedet, selvom. Så kan tinselenid blive et økonomisk og let tilgængeligt alternativ til vismuttellurid.