Afkobling af elektronisk og termisk transport

Et nyt University of Wollongong -studie overvinder en stor udfordring med termoelektriske materialer, som kan omdanne varme til elektricitet og omvendt, forbedring af konverteringseffektiviteten med mere end 60%.

Nuværende og potentielle fremtidige applikationer spænder fra lav vedligeholdelse, solid-state køling til at komprimere, nul-kulstofproduktion, som kunne omfatte små, personlige enheder drevet af kroppens egen varme.

"Afkoblingen af ​​elektronisk (elektronbaseret) og termisk (fononbaseret) transport vil være en game-changer i denne industri, "siger UOWs prof Xiaolin Wang.

Termoelektriske applikationer og udfordringer

Bismut-telluridbaserede materialer (Bi2Te3, Sb2Te3 og deres legeringer) er de mest succesfulde termoelektriske materialer, der kommercielt tilgængelige, med nuværende og fremtidige applikationer, der falder i to kategorier:konvertering af elektricitet til varme, og omvendt:

• Konvertering af elektricitet til varme:pålidelig, lav vedligeholdelse solid-state køling (varmepumpe) uden bevægelige dele, ingen støj, og ingen vibrationer.
• Konvertering af varme til elektricitet inklusive fossilfri elproduktion fra en lang række varmekilder eller gratis strømforsyning af mikroenheder, ved hjælp af omgivende eller kropstemperatur.

Varmehøst udnytter den gratis, rigelige varmekilder fra kropsvarme, biler, hverdagsliv, og industriel proces. Uden behov for batterier eller strømforsyning, termoelektriske materialer kunne bruges til at drive intelligente sensorer i fjernbetjening, utilgængelige steder.

En løbende udfordring for termoelektriske materialer er balancen mellem elektriske og termiske egenskaber:I de fleste tilfælde, en forbedring af et materiales elektriske egenskaber (højere elektrisk ledningsevne) betyder en forværring af termiske egenskaber (højere varmeledningsevne), og omvendt.

"Nøglen er at afkoble termisk transport og elektrisk transport, "siger hovedforfatter, Ph.d. studerende Guangsai Yang.

Bedre effektivitet ved afkobling

Det treårige projekt på UOW's Institute of Superconductivity and Electronic Materials (ISEM) fandt en måde at afkoble og samtidig forbedre både termiske og elektroniske egenskaber.

Teamet tilføjede en lille mængde amorfe nano-borpartikler til bismuth-telluridbaserede termoelektriske materialer, ved hjælp af nano-defekt konstruktion og konstruktion.

Amorfe nanoborpartikler blev indført ved anvendelse af gnistplasmasintringsmetoden (SPS).

"Dette reducerer materialets varmeledningsevne, og øger samtidig sin elektrontransmission, "forklarer den tilsvarende forfatter Prof Xiaolin Wang.

"Hemmeligheden ved termoelektrisk materialeteknik er at manipulere fonon- og elektrontransport, "forklarer professor Wang.

Fordi elektroner både bærer varme og leder elektricitet, alene materialeteknik baseret på elektrontransport er tilbøjelig til den flerårige afvejning mellem termiske og elektriske egenskaber.

Fononer, på den anden side, kun bære varme. Derfor, blokering af fonontransport reducerer varmeledningsevne forårsaget af gittervibrationer, uden at påvirke elektroniske egenskaber.

"Nøglen til at forbedre den termoelektriske effektivitet er at minimere varmestrømmen via fononblokering, og maksimere elektronstrømmen via (elektronoverførsel), "siger Guangsai Yang." Dette er oprindelsen til den rekordhøje termoelektriske effektivitet i vores materialer. "

Resultatet er rekordhøj konverteringseffektivitet på 11,3%, hvilket er 60% bedre end kommercielt tilgængelige materialer fremstillet ved zonens smeltemetode.

Udover at være de mest succesrige kommercielt tilgængelige termoelektriske materialer, vismut-telluridbaserede materialer er også typiske topologiske isolatorer.

Ultrahøj termoelektrisk ydeevne i Bulk BiSbTe/Amorfe Borkompositter med Nano-Defekt Arkitekturer blev offentliggjort i Avancerede energimaterialer i september 2020.