Forskere rapporterer om ny forståelse af termoelektriske materialer

Løftet om termoelektriske materialer som kilde til ren energi har drevet søgningen efter materialer, der effektivt kan producere betydelige mængder strøm fra spildvarme.

Forskere rapporterede et stort skridt fremad fredag, udgivelse i Videnskab fremskridt opdagelsen af ​​en ny forklaring på asymmetrisk termoelektrisk ydeevne, det fænomen, der opstår, når et materiale, der er meget effektivt i en form, der bærer en positiv ladning, er langt mindre effektivt i den form, der bærer en negativ ladning, eller omvendt.

Zhifeng Ren, MD Anderson, professor i fysik ved University of Houston, direktør for Texas Center for Superconductivity ved UH og tilsvarende forfatter på papiret, sagde, at de har udviklet en model til at forklare den tidligere uadresserede forskel i ydeevne mellem de to typer formuleringer. De anvendte derefter modellen til at forudsige lovende nye materialer til at generere strøm ved hjælp af spildvarme fra kraftværker og andre kilder.

Forskerne vidste allerede, at termoelektrisk effektivitet afhænger af materialets ydeevne i begge former, kendt som "p-type" og "n-type" til at bære en positiv og negativ ladning, henholdsvis. Men de fleste materialer findes enten ikke i begge formuleringer, eller også er den ene type mere effektiv end den anden.

Lovende nyt materiale syntetiseret

Det er muligt at bygge effektive termoelektriske enheder ved hjælp af kun en p-type eller n-type forbindelse, men det er lettere at designe en enhed, der indeholder begge typer; Ren sagde, at den bedste ydeevne ville komme, når begge typer udviser lignende egenskaber.

Forskerne syntetiserede et af de forudsagte materialer, en zirconium-kobolt-vismutforbindelse, og rapporterede en målt varme-til-elektricitet-konverteringseffektivitet på 10,6% på både den kolde side, omkring 303 Kelvin, eller omkring 86 grader Fahrenheit, og den varme side, omkring 983 Kelvin (1, 310 Fahrenheit) for både p-typen og n-typen.

Jun Mao, en postdoktoral forsker ved UH og en første forfatter til rapporten, sagde, at de bestemte den asymmetriske ydeevne af nogle materialer er forbundet med det faktum, at ladningen bevæger sig med forskellige hastigheder i de to formuleringstyper. "Hvis ladningsbevægelsen af ​​både den positive ladning, til p-type, og den negative ladning, for n-type, ligner, den termoelektriske ydeevne af begge typer er ens, " han sagde.

Ved at, de var i stand til at bruge mobilitetsforholdet til at forudsige ydeevne af tidligere uundersøgte formuleringer.

"Når den termoelektriske ydeevne for en type materiale er blevet eksperimentelt undersøgt, mens den anden type endnu ikke er blevet undersøgt, det er muligt at forudsige ZT ved at bruge det identificerede forhold mellem asymmetri og vægtet mobilitetsforhold, "skrev forskerne. ZT, eller fortjenstens figur, er en metrik, der bruges til at bestemme, hvor effektivt et termoelektrisk materiale omdanner varme til elektricitet.

Ny model forudsiger meget effektive materialer

Hangtian Zhu, en postdoktorforsker ved UH og rapportens anden første forfatter, sagde det næste trin er at bestemme, hvordan man formulerer den tilsvarende materialetype, når der er fundet et materiale med en høj effektivitet i enten p-type eller n-type.

Det kan kræve eksperimentering for at bestemme det bedste dopemiddel - forskere justerer ydeevnen ved at tilføje en lille mængde af et ekstra element til forbindelsen, kendt som "doping" - for at forbedre ydeevnen, Sagde Zhu.

Det er her, den nye forståelse af asymmetrisk ydeevne kommer ind. Zhu sagde ved at forudsige, hvilke forbindelser der vil have høj ydeevne i begge typer, forskere opfordres til at fortsætte med at lede efter den bedste kombination, selvom tidlige bestræbelser ikke lykkedes.