Demonstration af ukonventionel tværgående termoelektrisk generation

Et NIMS -forskerhold udviklede en ny termoelektrisk generationsmekanisme med en hybridstruktur sammensat af termoelektriske og magnetiske materialer. Holdet fremstillede derefter faktisk denne struktur og observerede den rekordhøje termokraft, der viste sig i retningen vinkelret på en temperaturgradient (dvs. tværgående termoelektrisk generation). Disse resultater kan give indsigt i nye mekanismer og strukturelle design, der kan anvendes til udvikling af alsidige energihøstteknologier og meget følsomme varmeflukssensorer.

Seebeck -effekten er et fænomen, hvor en temperaturgradient hen over et metal eller en halvleder omdannes til en termoelektrisk spænding. Fordi denne effekt kan bruges til at omdanne spildvarme til elektrisk energi, dens potentielle anvendelser (f.eks. autonome strømkilder til IoT -enheder) er blevet grundigt undersøgt. Imidlertid, Seebeck-effektdrevet termoelektrisk generation har ulemper:en termokraft genereres langs retningen af ​​en temperaturgradient (dvs. langsgående termoelektrisk generation). På grund af dette parallelle forhold, et termoelektrisk materiale skal forlænges i retning af en temperaturgradient for at skabe store temperaturforskelle og resulterende stor termoelektrisk spænding. Desuden, i konventionelle Seebeck -enheder, en kompleks struktur sammensat af en seriel forbindelse af mange par af to forskellige termoelektriske materialer er nødvendig for at forøge en termoelektrisk spænding. Imidlertid, disse ordninger øger produktionsomkostningerne, gøre materialet/strukturen mindre holdbar, og begrænser dens praktiske anvendelighed. I modsætning, den unormale Nernst -effekt - et termoelektrisk fænomen, der kun forekommer i magnetiske materialer - kan generere en termoelektrisk spænding vinkelret på retningen af ​​en temperaturgradient. Denne effekt kan således muliggøre generering af en termokraft i tværgående retning, og den termoelektriske spænding kan forstærkes ganske enkelt ved at øge materialets længde i retningen vinkelret på en temperaturgradient. Tvært udvidede termoelektriske materialer forventes at have betydeligt større fleksibilitet, når de integreres i moduler, og for at opveje de førnævnte ulemper forbundet med Seebeck -effekten. Imidlertid, Det har vist sig, at den unormale Nernst -effekt kun genererer en meget lille termokraft - mindre end 10 μV/K ved nær stuetemperatur - hvilket gør dens praktiske anvendelse vanskelig.

I dette forskningsprojekt, forskergruppen udtænkte og demonstrerede en ny termoelektrisk genereringsmekanisme, hvor en langsgående termokraft induceret af Seebeck -effekten i et termoelektrisk materiale kan omdannes til en tværgående termokraft i et magnetisk materiale via den unormale Hall -effekt. Holdet simulerede derefter denne mekanisme baseret på fænomenologiske modelberegninger og fandt den potentielt i stand til at generere meget høj termokraft ud over 100 μV/K vinkelret på retningen af ​​en temperaturgradient, når materialer og strukturer optimeres. For at eksperimentelt kontrollere dette resultat, teamet fremstillede en hybridstruktur sammensat af Co2MnGa - en magnetisk forbindelse, der er i stand til at producere den store anomaliske Hall -effekt - og halvledende Si, der er i stand til at producere den store Seebeck -effekt. Denne struktur genererede de rekordhøje positive og negative tværgående termokræfter (+82 μV/K og -41 μV/K). Størrelse og tegn på de målte termokræfter gengives godt ved forudsigelsen baseret på modelberegningerne. Den termoelektriske generationsevne for kompositmaterialet kan yderligere forbedres ved materiale- og strukturoptimering.

Termokraften, der blev observeret i dette projekt, var mere end 10 gange større end den tidligere registrerede højeste termokraft genereret af den uregelmæssige Nernst -effekt. This result is expected to significantly advance R&D efforts aiming to put transverse thermoelectric generation into practical use. I fremtidige undersøgelser, we plan to research and develop effective magnetic and thermoelectric materials, create composite structures using these materials, and optimize their structures. We will then use these hybrid materials to develop energy harvesting technologies capable of powering IoT devices and heat flux sensors that can be used for energy-saving purposes.

This research was published in the online version of Naturmaterialer , a British scientific journal, at 1:00 am on January 19, 2021, Japan Time (4:00 pm on January 18, GMT).