Forskere udvikler teknik til at omdanne termoelektrisk materiale til højtydende elektricitet

Et team af fysikere fra Clemson University bestående af nanomaterialeforskere Apparao Rao og Ramakrishna Podila og termoelektrikere Terry Tritt, Jian He og Pooja Puneet arbejdede synergistisk gennem det nyetablerede Clemson Nanomaterials Center for at udvikle en ny teknik til at skræddersy termoelektriske egenskaber af n-type vismut tellurid til høj termoelektrisk ydeevne.

Deres resultater blev offentliggjort i tidsskrift Videnskabelige rapporter .

Den nuværende amerikanske energiøkonomi og miljø trues i stigende grad af hurtigt faldende indenlandske reserver af fossilt brændsel kombineret med alvorlig miljøpåvirkning ved forbrænding af fossilt brændstof. Højeffektive termoelektriske enheder forventes at levere ren energiteknologi-behov i timen for amerikansk energibæredygtighed. Denne forskning er et skridt i retning af at optimere enhedens ydeevne, da den skitserer en metode til at overvinde en udfordring, der hidtil har "frustreret" termoelektriske forskere.

Termoelektriske (TE) enheder omdanner spildvarme til elektricitet gennem et unikt materiales egenskab kaldet Seebeck -effekten. I bund og grund, Seebeck -effekten resulterer i en spænding på tværs af de to ender af et TE -materiale, beslægtet med spændingen på tværs af de to ender af et AA -batteri, når TE -materialet er korrekt udsat for spildvarmen. I sådanne enheder, effektiviteten ved at omdanne varme til elektricitet styres af visse stærkt koblede materialegenskaber, dvs. elektrisk resistivitet, Seebeck -koefficient, og varmeledningsevne. En funktionel TE-enhed består af flere ben, der består af materialer af p-type og n-type, ligesom en diode består af et p-n-kryds.

Bismuth telluride (Bi2Te3) er et lagdelt materiale og kan ses som et spil kort, hvor hvert kort kun er få atomer tykt. Bi2Te3 betragtes i øjeblikket som det topmoderne TE-materiale med høj effektivitet til at konvertere spildvarme til elektricitet, og er derfor attraktiv for energihøstprocesser.

Traditionelle nanoseringsmetoder kunne ikke forbedre ydeevnen for n-type Bi2Te3, da de simpelthen nedgraderede alle materialegenskaber samtidigt. Derfor, Clemson-forskere og kolleger udviklede en ny nanoseringsmetode, hvor vi først skræller n-type Bi2Te3 til atomartynde plader (beslægtet med grafen, som er et atom-tykt lag af carbonatomer) og samler dem igen ved hjælp af en gnistplasmasinteringsproces.

Forskerne fandt ud af, at ovennævnte to-trins proces med først at adskille kortdækket i individuelle kort og derefter samle dem til et kort via gnistplasmasintring gør det muligt for os passende at skræddersy materialegenskaberne af n-type Bi2Te3 for høj TE -præstation. I denne tilgang, de såkaldte 'interfacial ladede defekter' genereres i den sintrede n-type Bi2Te3, som ikke kun forbedrer sine strukturelle egenskaber, men også dens termoelektriske effektivitet over et bredt temperaturvindue, hvilket gør den ekstremt kompatibel med p-type Bi2Te3 til fremstilling af effektive TE-enheder.

Den forbedrede kompatibilitetsfaktor (vist i dette papir) forventes at åbne nye muligheder for meget effektive TE -enheder. Det fascinerende og bemærkelsesværdige element i denne forskning er, at defekter, som ofte betegner urenhed og er forbundet med lav ydeevne eller effektivitet, kan faktisk bruges til at justere materialernes egenskaber til vores fordel.

Dagens videnskabelige samfund mangler en omfattende forståelse af defekter, hovedsageligt på grund af fraværet af metoder, der kontrollerbart kan generere og manipulere defekter. Fremtiden for denne forskning vil være rettet mod at udvikle værktøjer til at generere og studere fejl på et grundlæggende niveau, som igen vil give forskerne mulighed for at optimere materialegenskaber for ikke kun TE-materialer, men også for en ny klasse af todimensionale materialer ud over Nobel -vindende grafen til energiproduktion og lagring.