Превращение тепла в электроэнергию с помощью эффективного органического термоэлектрического материала
Термоэлектрические материалы могут превратить разницу температур в электричество. Органические термоэлектрические материалы могут использоваться для питания носимой электроники или датчиков; однако выходная мощность все еще очень мала. Международная группа под руководством Яна Антона Костера, профессора физики полупроводников в Университете Гронингена, теперь создала органический полупроводник n-типа с превосходными свойствами, что делает эти приложения еще большим шагом вперед. Их результаты были опубликованы 10 ноября в журнале Nature Communications.
Термоэлектрический генератор - единственный искусственный источник энергии за пределами нашей солнечной системы: оба космических зонда Voyager, которые были запущены в 1977 году и сейчас находятся в межзвездном пространстве, питаются от генераторов, преобразующих тепло (в данном случае от радиоактивного источника). ) в электрический ток. «Самое замечательное в таких генераторах то, что они представляют собой твердотельные устройства без каких-либо движущихся частей», - объясняет Костер.
Проводимость
Однако неорганический термоэлектрический материал, используемый в генераторах «Вояджера», не подходит для более приземленных применений. Эти неорганические материалы содержат токсичные или очень редкие элементы. Кроме того, они обычно жесткие и хрупкие. «Вот почему возрастает интерес к органическим термоэлектрическим материалам», - говорит Костер. Но у этих материалов есть свои проблемы. Оптимальным термоэлектрическим материалом является фононное стекло, которое имеет очень низкую теплопроводность (так, чтобы оно могло поддерживать разницу температур), а также электронный кристалл с высокой электропроводностью (для переноса генерируемого тока). Костер: «Проблема органических полупроводников в том, что они обычно имеют низкую электропроводность».
Тем не менее, более чем десятилетний опыт разработки органических фотоэлектрических материалов в Университете Гронингена привел команду к созданию лучшего органического термоэлектрического материала. Они сосредоточили свое внимание на полупроводнике n-типа, который несет отрицательный заряд. Для термоэлектрического генератора необходимы полупроводники как n-типа, так и p-типа (несущие положительный заряд), хотя эффективность органических полупроводников p-типа уже достаточно высока.
Buckyballs
Команда использовала фуллерены (бакиболлы, состоящие из шестидесяти атомов углерода) с добавленной к ним двойной боковой цепью типа триэтиленгликоля. Для увеличения электропроводности был добавлен n-допант. «Фуллерены уже имеют низкую теплопроводность, но добавление боковых цепей делает ее еще ниже, поэтому материал представляет собой очень хорошее фононное стекло», - говорит Костер. «Кроме того, эти цепочки также содержат легирующую добавку и создают очень упорядоченную структуру во время отжига». Последнее делает материал электрическим кристаллом с электропроводностью, подобной проводимости чистых фуллеренов.
«Мы создали первый электрический кристалл из органического фононного стекла», - говорит Костер. «Но самое интересное для меня - это его термоэлектрические свойства». Они выражаются значением ZT. T относится к температуре, при которой работает материал, в то время как Z включает другие свойства материала. Новый материал увеличивает максимальное значение ZT в своем классе с 0,2 до более 0,3, что является значительным улучшением.
Датчики
«Значение ZT, равное 1, считается коммерчески жизнеспособным, но мы считаем, что наш материал уже может использоваться в приложениях, требующих низкой производительности», - говорит Костер. Например, для питания датчиков требуется несколько микроватт энергии, и они могут быть произведены из пары квадратных сантиметров нового материала. «Наши сотрудники в Милане уже создают термоэлектрические генераторы с использованием фуллеренов с одной боковой цепью, у которых значение ZT ниже, чем у нас сейчас».
По словам Костера, фуллерены, боковая цепь и легирующая добавка легко доступны, и производство нового материала, вероятно, может быть увеличено без особых проблем. Он очень доволен результатами этого исследования. «В статье двадцать авторов из девяти различных исследовательских групп. Мы использовали наши совместные знания в области синтетической органической химии, органических полупроводников, молекулярной динамики, теплопроводности и рентгеноструктурных исследований, чтобы получить этот результат. И у нас уже есть идеи, как еще больше повысить эффективность ».
Вопросы, отзывы, комментарии (0)
Нет комментариев