Инженеры Северо-Западного университета (Иллинойс, США) разработали новый термоэлектрический материал, который обладает потрясающей эффективностью. Новая улучшенная поликристаллическая форма очищенного селенида олова обладает всеми необходимыми свойствами, для преобразования тепла в электричество.
Как это работает?
Термоэлектрические системы вырабатывают электричество с помощью температурного градиента. Нагрев одной стороны материала заставляет электроны двигаться от более теплой стороны к более холодной, генерируя электрический ток в процессе. В теории, эта технология может позволить утилизировать тепловую энергию, которая в противном случае просто уходит в атмосферу в виде тепла.
Но чтобы быть максимально эффективными, термоэлектрические материалы должны обладать несколькими свойствами:
- Они должны иметь высокую электропроводность, но низкую теплопроводность. В этом случае электроны смогут легко протекать через материал, в то время как теплой будет оставаться лишь одна его сторона.
- Материалы должны быть способны эффективно производить электроэнергию из температурного градиента.
- Наконец, в идеале, они должны выдерживать высокую температуру.
Все эти свойства находятся в балансе, а общая способность материала превращать тепло в электричество называется “термоэлектрической эффективностью” и обозначается как ZT.
Десять лет назад рекордный показатель составлял 1. В 2012 году был открыт материал, ZT которого составила 2,2. Теперь же ученые добились очередного прорыва. Их новый материал имеет показатель ZT равный 3,1.
Ключом к рекорду стал материал под названием селенид олова. Ранее команда добилась от него термоэлектрической эффективности ZT 2,6 в его монокристаллической форме. Однако этот материал слишком хрупок для массового производства, поэтому исследователи решили поэкспериментировать с его поликристаллической формой - она прочнее и ее легче резать и формировать по мере необходимости.
Сперва оказалось, что поликристаллическая форма селенида олова имеет высокую теплопроводность, что снижает термоэлектрический эффект. Но позже тщательный осмотр показал, что виновником теплопроводности является тонкий слой окисленного олова, образующийся на поверхности материала. Когда этот слой удалили, очищенный поликристаллический селенид олова показал рекордную эффективность ZT 3,1
Зачем это нужно?
По сути, ученым удалось создать термоэлектрический генератор рекордной эффективности. Плюс, он удобен в производстве и использовании.
Команда надеется, что этот прорыв может привести к тому, что технология термоэлектрических генераторов, которая до сих пор использовалась не слишком активно, начнет применяться повсеместно.
«Это открывает двери для создания и применения новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова», - говорит Меркури Канатзидис, автор исследования.
Представьте, например, систему охлаждения для процессора, которая не только охлаждает чип, но и частично питает его. Или выхлопную систему автомобиля, которая по мере нагрева подзаряжает его аккумулятор, снижая нагрузку на генератор. Все объекты, где имеется избыточное тепло, с помощью этой технологии могут быть превращены в источники энергии. И это здорово.
Описание разработки опубликовано в журнале Nature Materials.
