Gør varme til strøm med effektivt organisk termoelektrisk materiale

Termoelektriske materialer kan omdanne en temperaturforskel til elektricitet. Organiske termoelektriske materialer kan bruges til at drive bærbar elektronik eller sensorer; imidlertid, udgangseffekten er stadig meget lav. Et internationalt hold ledet af Jan Anton Koster, Professor i halvlederfysik ved universitetet i Groningen, har nu produceret en n-type organisk halvleder med overlegne egenskaber, der bringer disse applikationer et stort skridt nærmere. Deres resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation den 10. november.

Den termoelektriske generator er den eneste menneskeskabte strømkilde uden for vores solsystem:både Voyager rumsonder, som blev opsendt i 1977 og er nu i det interstellare rum, drives af generatorer, der omdanner varme (i dette tilfælde, leveret af en radioaktiv kilde) til en elektrisk strøm. "Det fantastiske ved sådanne generatorer er, at de er solid-state enheder, uden bevægelige dele, " forklarer Koster.

Ledningsevne

Imidlertid, det uorganiske termoelektriske materiale, der bruges i Voyagers generatorer, er ikke egnet til mere hverdagsagtige anvendelser. Disse uorganiske materialer indeholder giftige eller meget sjældne grundstoffer. Desuden, de er normalt stive og skøre. "Det er grunden til, at interessen for organiske termoelektriske materialer er stigende, siger Koster. Alligevel, disse materialer har deres egne problemer. Det optimale termoelektriske materiale er et fononglas, som har en meget lav varmeledningsevne (så den kan opretholde en temperaturforskel) og også en elektronkrystal med høj elektrisk ledningsevne (til at transportere den genererede strøm). Koster siger:"Problemet med organiske halvledere er, at de normalt har en lav elektrisk ledningsevne."

Alligevel, over ti års erfaring med at udvikle organiske fotovoltaiske materialer ved University of Groningen har ført holdet på vej mod et bedre organisk termoelektrisk materiale. De fokuserede deres opmærksomhed på en n-type halvleder, som har en negativ ladning. For en termoelektrisk generator, både n-type og p-type (bærende positiv ladning) halvledere er nødvendige, selvom effektiviteten af ​​organiske p-type halvledere allerede er ret god.

Buckyballs

Holdet brugte fullerener ('buckyballs, ' består af tres carbonatomer) med en dobbelt-triethylenglycol-type sidekæde tilføjet til dem. For at øge den elektriske ledningsevne, et n-doteringsmiddel blev tilsat. "Fullerenerne har allerede en lav varmeledningsevne, men tilføjelse af sidekæder gør det endnu lavere, så materialet er et meget godt fononglas, siger Koster. disse kæder inkorporerer også doteringsmidlet og skaber en meget ordnet struktur under udglødning." Sidstnævnte gør materialet til en elektrisk krystal, med en elektrisk ledningsevne svarende til den for rene fullerener.

"Vi har nu lavet den første organiske phononglas elektriske krystal, " siger Koster. "Men den mest spændende del for mig er dens termoelektriske egenskaber." Disse er udtrykt ved ZT-værdien. T'et refererer til den temperatur, som materialet fungerer ved, mens Z inkorporerer de øvrige materialeegenskaber. Det nye materiale øger den højeste ZT-værdi i sin klasse fra 0,2 til over 0,3, en betydelig forbedring.

Sensorer

"En ZT-værdi på 1 betragtes som en kommercielt levedygtig effektivitet, men vi mener, at vores materiale allerede kunne bruges i applikationer, der kræver et lavt output, " siger Koster. For at forsyne sensorer, for eksempel, Der kræves et par mikrowatt strøm, og disse kunne produceres af et par kvadratcentimeter af det nye materiale. "Vores samarbejdspartnere i Milano er allerede ved at skabe termoelektriske generatorer, der bruger fullerener med en enkelt sidekæde, som har en lavere ZT-værdi, end vi har nu."

Fullerenerne, sidekæde og dopingmiddel er alle let tilgængelige, og produktionen af ​​det nye materiale kan sandsynligvis skaleres op uden for mange problemer, ifølge Koster. Han er meget glad for resultaterne af denne undersøgelse. "Avisen har tyve forfattere fra ni forskellige forskningsgrupper. Vi brugte vores samlede viden om syntetisk organisk kemi, organiske halvledere, molekylær dynamik, termisk ledningsevne og røntgenstrukturundersøgelser for at få dette resultat. Og vi har allerede nogle ideer til, hvordan vi kan øge effektiviteten yderligere."