Flere halvleder type switch til at øge termoelektrisk konvertering af spildvarme

I de seneste år, energiforbruget i de udviklede lande har været ret spildt. Næsten to tredjedele af den samlede energi kasseres typisk i miljøet som "spildvarme, "som ender med at bidrage til global opvarmning. At finde en måde til produktivt at bruge denne varme har været i spidsen for enhver materialeforskers prioritet.

En af de forskellige mulige måder at genvinde denne spildvarme som elektricitet er ved hjælp af det, der kaldes "termoelektrisk konvertering" - en proces, der bruger temperaturforskelle i halvledere til direkte at konvertere til elektrisk spænding. Termoelektriske enheder omfatter halvledere af p-type og n-type med to typer ladningsbærere, dvs. elektron og hul. Halvlederne af p-typen og n-typen er forbundet i serie for at producere en stor termoelektrisk spænding. Derfor, det er nødvendigt at udvikle både p-type og n-type halvledere med høj termoelektrisk konverteringseffektivitet.

Et særligt halvledermateriale, som forskere for nylig har vendt deres opmærksomhed mod, er tinmonoselenid (SnSe), som angiveligt udviser verdens højeste termoelektriske konverteringsindeks ZT -værdi. Imidlertid, SnSe er ikke i stand til let at kontrollere opladningsbærertypen. Doping med alkaliioner forbedrer termoelektrisk ydeevne af p-typen, men alkaliionerne er flygtige og diffusive elementer, og er ikke egnede til applikationer med høj temperatur. Tilføjelse af vismut og jod for at gøre det n-type, på den anden side, resulterer i lave elektronkoncentrationer.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer , et team af forskere fra Tokyo Tech, Japan, ledet af prof. Takayoshi Katase opdagede, at når dopet med antimon (Sb), SnSe, betegnet som (Sn _1-x Sb _x ) Se, udviser en ejendommelig omskiftning af ledningstype. Specifikt, holdet observerede, at ved lave dopingkoncentrationer, (Sn _1-x Sb _x ) Se startede med ledning af p-typen, men skiftede til n-type med stigende doping, og endelig skiftet tilbage til p-type for høje koncentrationer. De detaljerede analyser og beregninger afslørede en interessant ladetypeskiftemekanisme, som, holdet fandt, har at gøre med fordelingen af ​​Sb -substitutionssteder mellem Sn og Se. De tilskriver denne skifteadfærd et skift af større Sb -substitutionssted fra Se (Sb _Se ) til Sn (Sb _Sn ) med stigende doping.

Forskere forklarede, at ved meget lave Sb -koncentrationer, ledningen af ​​p-typen opstår udelukkende på grund af huller leveret af Sn-stillingen. Men som doping stiger, Sb _Sn begynder at donere elektroner, mens Sb _Se danner et "urenhedsbånd", der tillader ledning gennem det, resulterer i den observerede n-type adfærd. Imidlertid, da dopingniveauet stiger yderligere, Fermi -niveauet nærmer sig mellemrumsniveauet mellem Sb _Se minimum urenhedsbånd og ledningsbånd, resulterer i ledningen af ​​p-typen.

Med sådanne bemærkelsesværdige indsigter at tilbyde, resultaterne er utvivlsomt en potentiel game changer for SnSe. Imidlertid, Prof. Takase forudser et endnu bredere anvendelsesområde. "Nu hvor vi forstår mekanismen i spil i polaritetsskiftet af Sb-dopet SnSe, vi kan håbe på at optimere massesynteseprocessen for yderligere at forbedre dens termoelektriske ydeevne og, på tur, realisere højtydende termoelektriske konverteringsenheder med det, "formoder prof. Katase.

Hvad mere er, forskerne forventer også, at den doping-site-switch-baserede polaritetskontrol vil blive mere alsidig i fremtiden og kan anvendes på andre halvledermaterialer, hvis bærertyper ellers er vanskelige at kontrollere. Her håber vi, at dette fører til en fremtid, hvor spildvarme ikke længere vil være spild!