Termoelektriske materialers tilgang øger båndkonvergensen for at undgå tidskrævende trial-and-error-tilgang

Termoelektriske materialer kan spille en vigtig rolle i den rene energiomstilling, da de kan producere elektricitet fra varmekilder, der ellers ville gå til spilde uden at generere yderligere drivhusgasser eller kræve store forudgående investeringer. Men deres løfte er blevet bremset af det faktum, at de fleste nuværende termoelektriske materialer ikke effektivt producerer nok strøm til at være nyttige til mange praktiske anvendelser.

Søgningen efter nye, mere effektive materialer, der involverer komplekse kemiske sammensætninger, har været arbejdskrævende og krævet eksperimentel afprøvning af hver foreslået ny multimaterialesammensætning og har ofte involveret brugen af ​​giftige eller sjældne grundstoffer. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Science , rapporterer forskere fra University of Houston og Rice University en ny tilgang til at forudsige realiseringen af ​​båndkonvergens i en række materialer.

Efter at have demonstreret, at et således designet materiale, en p-type Zintl-forbindelse, ville tilbyde højeffektiv termoelektrisk ydeevne, fremstillede de et termoelektrisk modul og rapporterede en varme-til-elektricitetskonverteringseffektivitet på over 10% ved en temperaturforskel på 475 Kelvin, eller omkring 855 grader Fahrenheit.

Zhifeng Ren, direktør for Texas Center for Superconductivity ved UH (TcSUH) og tilsvarende forfatter til papiret, sagde, at materialernes ydeevne forblev stabil i mere end to år.

Mens en række forskellige tilgange er blevet brugt til at forbedre effektiviteten, har et koncept kendt som elektronisk båndkonvergens fået opmærksomhed for dets potentiale til at forbedre termoelektrisk ydeevne.

"Det er normalt svært at få høj ydeevne fra termoelektriske materialer, fordi ikke alle de elektroniske bånd i et materiale bidrager," sagde Ren. "Det er endnu sværere at lave et komplekst materiale, hvor alle bands arbejder på samme tid for at få den bedste præstation."

Til dette arbejde, sagde han, fokuserede forskerne først på at udtænke en beregning for at bestemme, hvordan man bygger et materiale, hvor alle de forskellige energibånd kan bidrage til den samlede ydeevne. De demonstrerede derefter, at beregningen fungerede i praksis såvel som i teorien, og byggede et modul til yderligere at verificere den opnåede høje ydeevne på enhedsniveau.

Båndkonvergens betragtes som en god tilgang til at forbedre termoelektriske materialer, fordi det øger den termoelektriske effektfaktor, som er relateret til den faktiske udgangseffekt af det termoelektriske modul. Men indtil nu har det været tidskrævende at opdage nye materialer med stærk båndkonvergens og resulterede i mange falske starter.

"Standardtilgangen er forsøg og fejl," sagde Ren, som også er Paul C.W. Chu og May P. Chern Endowed Chair i Condensed Matter Physics ved UH. "I stedet for at lave en masse eksperimenter giver denne metode os mulighed for at eliminere unødvendige muligheder, som ikke giver bedre resultater."

For effektivt at forudsige, hvordan man skaber det mest effektive materiale, brugte forskerne en højentropi Zintl-legering, YbxCa_1-x MgyZn_2-y Sb₂ , som et casestudie, design af en række kompositioner, hvorigennem båndkonvergens blev opnået samtidigt i alle kompositionerne.

Ren beskrev, hvordan det fungerer sådan:Hvis et hold på 10 personer forsøger at løfte en genstand, vil de højere medlemmer bære det meste af byrden, mens de kortere medlemmer ikke bidrager så meget. I bandkonvergens er målet at gøre alle bandets teammedlemmer mere ens – høje bandmedlemmer ville være kortere i dette eksempel og korte medlemmer højere – så alle kan bidrage til at bære den samlede belastning.

Her startede forskerne med fire moderforbindelser indeholdende fem grundstoffer i alt - ytterbium, calcium, magnesium, zink og antimon - ved at køre beregninger for at bestemme, hvilke kombinationer af moderforbindelserne der kunne nå båndkonvergens. Da det var bestemt, valgte de den bedste blandt disse højtydende sammensætninger til at konstruere den termoelektriske enhed.

"Uden denne metode ville du skulle eksperimentere og prøve alle muligheder," sagde Xin Shi, en UH-studerende i Rens gruppe og hovedforfatter på papiret. "Der er ingen anden måde, du kan gøre det på. Nu laver vi en beregning først, vi designer et materiale og laver det derefter og tester det."

Beregningsmetoden kan også bruges til andre multi-sammensatte materialer, hvilket giver forskere mulighed for at bruge denne tilgang til at skabe nye termoelektriske materialer. Når de rigtige moderforbindelser er identificeret, bestemmer beregningen, hvilket forhold af hver der skal bruges i den endelige legering.

Ud over Ren og Shi omfatter papirets forfattere Dr. Shaowei Song, en forsker ved Texas Center for Superconductivity, og Dr. Guanhui Gao fra Institut for Materialevidenskab og Nanoteknik ved Rice. Gao er nu på UH.

Flere oplysninger: Xin Shi et al., Globalt båndkonvergensdesign til højtydende termoelektrisk strømproduktion i Zintls, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn7265

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af University of Houston