Инженеры Северо-Западного университета разработали новый термоэлектрический материал, который на сегодняшний день может оказаться самым эффективным. Новая и улучшенная поликристаллическая форма очищенного селенида олова обладает всеми необходимыми свойствами, чтобы сделать его практичным материалом для преобразования отработанного тепла в электричество.
Термоэлектрические системы вырабатывают электричество за счет температурного градиента. Нагревание одной стороны специального материала может привести к тому, что электроны начнут перемещаться с более теплой стороны на более холодную, создавая при этом электрический ток. Есть надежда, что эта технология поможет рециркулировать энергию, которая в противном случае теряется в виде тепла в электронике, электростанциях, двигателях и даже кухонной посуде.
Чтобы получить максимальную отдачу от этой технологии, термоэлектрические материалы должны обладать несколькими свойствами. Они должны иметь высокую электропроводность, но низкую теплопроводность, чтобы электроны могли легко проходить сквозь них, а тепло оставалось на одной стороне. Они должны иметь возможность эффективно производить электричество из температурного градиента (известного как коэффициент Зеебека), и в идеале они должны выдерживать высокую температуру.
Все эти свойства сравниваются друг с другом и выражаются как «добротность» или ZT. Это число снизилось с почти 1 более десяти лет назад до 2,2 в 2012 году, а в последнее время достигло 2,7. Теперь, согласно исследованиям Северо-Западного университета, он достиг рекордного значения ZT, равного 3,1.
Ключевым моментом был материал, называемый селенидом олова, который команда ранее довела до ZT 2,6 в его монокристаллической форме. Однако этот материал слишком хрупок для массового производства, поэтому исследователи решили сделать его в поликристаллической форме, которая будет прочнее и легче поддается резке и приданию формы по мере необходимости.
К сожалению, когда они начали экспериментировать с этой формой, они обнаружили, что материал обладает высокой теплопроводностью, что снижает термоэлектрический эффект. При более внимательном рассмотрении выяснилось, что виноват тонкий слой окисленного олова, образующийся на поверхности. Когда они очистили исходные материалы и удалили образовавшиеся слои, им удалось повысить ZT поликристаллического селенида олова до 3,1.
Команда надеется, что этот прорыв может привести к созданию более совершенных термоэлектрических генераторов.
«Это открывает двери для новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова, и будет изучено их применение», - говорит Меркури Канатзидис, автор исследования. «Эти устройства не так популярны, как солнечные батареи, и создание хороших устройств сопряжено со значительными проблемами. Мы сосредоточены на разработке материала, который был бы недорогим и обладающим высокими характеристиками, и который позволит термоэлектрическим устройствам найти более широкое применение».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials.
Источник: New Atlas / Northwestern University