Med nyt design, bulk halvleder beviser, at den kan tage varmen

Den intense interesse for at høste energi fra varmekilder har ført til et fornyet skub for at opdage materialer, der mere effektivt kan omdanne varme til elektricitet. Nogle forskere finder disse gevinster ved at redesigne materialer, som forskere har arbejdet med i årevis.

Et hold af Boston College og MIT forskere rapporterer at udvikle en roman, nanoteknologisk design, der øger den termoelektriske ydeevne af en bulklegeringshalvleder med 30 til 40 procent over dens tidligere opnåede værdi, målestokken for konverteringseffektivitet i termoelektrik.

Den pågældende legering, Silicium Germanium, er blevet værdsat for sin ydeevne i termoelektriske højtemperaturapplikationer, herunder dets brug i radioisotop termoelektriske generatorer på NASA flyvemissioner. Men bredere anvendelser har været begrænset på grund af dens lave termoelektriske ydeevne og de høje omkostninger ved Germanium.

Boston College professor i fysik Zhifeng Ren og kandidatforsker Bo Yu, og MIT-professorerne Gang Chen og Mildred S. Dresselhause og post-doc-forsker Mona Zebarjadi, rapport i journalen Nano bogstaver at ændring af designet af bulk SiGe med en proces lånt fra tyndfilmshalvlederindustrien hjalp med at producere en mere end 50 procent stigning i elektrisk ledningsevne.

Processen, kendt som en 3D-modulations-dopingstrategi, lykkedes med at skabe en solid-state enhed, der opnåede en samtidig reduktion i den termiske ledningsevne, som kombineret med konduktivitetsgevinster giver en høj værdi på ~1,3 ved 900 °C.

"At forbedre et materiales fortjeneste er ekstremt udfordrende, fordi alle de interne parametre er tæt forbundet med hinanden, " sagde Yu. "Når du har ændret en faktor, de andre kan højst sandsynligt ændre sig, fører til ingen nettoforbedring. Som resultat, en mere populær tendens inden for dette studieområde er at se på nye muligheder, eller nye materialesystemer. Vores undersøgelse viste, at der stadig er muligheder for de eksisterende materialer, hvis man kunne arbejde smart nok for at finde nogle alternative materialedesign."

Ren påpegede, at de præstationsgevinster, som holdet rapporterede, konkurrerer med de avancerede n-type SiGe-legeringsmaterialer, med en afgørende forskel, at holdets design kræver brug af 30 procent mindre Germanium, som udgør en udfordring for energiforskningen på grund af dens høje omkostninger. Reduktion af omkostninger er afgørende for nye rene energiteknologier, bemærkede han.

"At bruge 30 procent mindre germanium er en væsentlig fordel for at reducere fremstillingsomkostningerne, " sagde Ren. "Vi ønsker, at alle de materialer, vi studerer i gruppen, hjælper med at fjerne omkostningsbarrierer. Dette er et af vores mål for den daglige forskning."

Samarbejdet mellem Ren og MIT's Chen har produceret flere gennembrud inden for termoelektrisk videnskab, især ved styring af fonontransport i bulk termoelektriske kompositmaterialer. Holdets forskning er finansieret af Solid State Solar Thermal Energy Conversion Center.