Forbedret effektfaktor i transparente termoelektriske nanotrådmaterialer

En forskergruppe ledet af professor Yoshiaki Nakamura fra Osaka University har med succes udviklet en metode til at forbedre den termoelektriske effektfaktor og samtidig reducere den termiske ledningsevne. Ved at introducere ZnO nanotråde i ZnO film, den termoelektriske effektfaktor blev tre gange større end for ZnO-film uden ZnO nanotråde.

Til udvikling af højtydende termoelektriske materialer, dyre og giftige tunge grundstoffer er ofte blevet brugt; imidlertid, de høje omkostninger og toksiciteten har begrænset den sociale brug af sådanne termoelektriske materialer. I denne forskning, Nakamura og hans team udviklede nye nanostrukturerede film (Embedded-ZnO nanowire-struktur) sammensat af lavpris og miljøvenlig ZnO. I de udviklede film, den termoelektriske effektfaktor blev øget ved selektiv transmission af energiske elektroner gennem nanotrådsgrænseflader med bevidst kontrollerede energibarrierer, og termisk ledningsevne blev reduceret ved at sprede fononer ved nanotrådsgrænsefladerne. Det forventes, at succesen med denne forskning vil føre til realiseringen af ​​højtydende gennemsigtige termoelektriske enheder, som vil muliggøre energigenvinding fra gennemsigtige genstande såsom vinduesglas og gennemsigtige elektroniske enheder.

Termoelektrisk produktion, der konverterer varme til elektricitet, har vakt stor opmærksomhed som en ny energikilde. Vinduesglas med forskellige indendørs og udendørs temperaturer forventes som en varmekilde til termoelektrisk generering, kræver gennemsigtige termoelektriske materialer med høj termoelektrisk ydeevne. Termoelektrisk ydeevne kræver en høj Seebeck-koefficient, høj elektrisk ledningsevne, og lav varmeledningsevne. Imidlertid, disse tre parametre er indbyrdes korrelerede, fører til vanskeligheder med at forbedre ydeevnen. Indtil nu, dyre og giftige tunge grundstoffer med lav varmeledningsevne er ofte blevet brugt til udvikling af højtydende termoelektriske materialer, begrænsning af brugen af ​​termoelektrisk produktion. På den anden side, billige og miljøvenlige letelementbaserede materialer udviser lav termoelektrisk ydeevne på grund af deres høje termiske ledningsevne generelt. Imidlertid, det blev rapporteret, at nanostrukturering opnåede en betydelig reduktion af termisk ledningsevne, og lette element-baserede materialer kunne være kandidater til termoelektriske materialer. Men, der er stadig et andet problem i, at nanostrukturen spredte ikke kun fononer, men også elektroner, hvilket resulterer i en reduktion af termoelektrisk effektfaktor.

Nakamura og hans team udviklede med succes billige og miljøvenlige ZnO-film, inklusive overfladekontrolleret ZnO nanotråd (Embedded-ZnO nanotrådstruktur), for første gang i verden. Embedded-ZnO nanotrådstrukturfilm med høj optisk transmittans i synligt område forventes som et gennemsigtigt termoelektrisk materiale. I strukturen, elektronenergibarrierehøjden blev kontrolleret ved at modulere dopantkoncentrationen ved nanotrådsgrænsefladen, som muliggjorde stigningen af ​​Seebeck-koefficienten på grund af selektiv transmission af højenergielektroner og spredning af lavenergielektroner. Høj elektrisk ledningsevne forventes også, fordi ZnO-krystallen er epitaksialt dannet ved nanotrådsgrænsefladen, fører til relativt høj elektrisk ledningsevne af højenergielektroner. Desuden, termisk ledningsevne reduceres også af en stigning i fononspredning ved nanotrådsgrænsefladen (figur 1).

Embedded-ZnO nanotrådstrukturer med nanotrådsarealtæthed på mere end 4×10 ⁹ cm ^-2 udviste en termoelektrisk effektfaktor 3 gange større end den for ZnO-film uden nanotråde (figur 2). Det blev bekræftet, at doteringsmiddelkoncentrationen blev moduleret ved grænsefladerne ved transmissionselektronmikroskopi-observation af nanotrådsgrænseflader. Målingerne af Seebeck-koefficient og elektrisk ledningsevne i lavtemperaturområde ( <300 K) viste den unormale adfærd, der tilskrives elektrontransporten styret af energibarrierens højde. Desuden, energibarrierens højde viste sig at være adskillige tiere af meV gennem teoretisk analyse af de eksperimentelle data. Ud over, termisk ledningsevne af den indlejrede ZnO nanotrådstruktur var 20% mindre end den for ZnO film uden nanotråde på grund af fononspredningsforøgelsen på grund af indførelsen af ​​nanotrådsgrænsefladen. Disse resultater indikerer samtidige succeser:en stigning i termoelektrisk effektfaktor og et fald i termisk ledningsevne. Den optiske måling viste, at strukturen havde en optisk transmittans på omkring 60% i synligt område, som kan sammenlignes med værdien af ​​et vindue i en bygning (figur 3).

Fremtidigt arbejde

I fremtiden, det vil være muligt i høj grad at reducere den termiske ledningsevne af indlejret ZnO nanotrådstruktur ved at øge nanotrådsarealtætheden. De termoelektriske enheder sammensat af film med denne struktur forventes at blive realiseret og se udbredt brug på grund af deres brug af billig og miljøvenlig ZnO. Desuden, konceptet "Modulering af energibarrierehøjde ved at kontrollere dopingkoncentrationen" kan anvendes ikke kun på ZnO, men også på andre lovende materialer, hvilket vil fremskynde udviklingen af ​​forskellige højtydende termoelektriske materialer.