Badacze z powodzeniem opracowali strukturę generowania organicznej energii termoelektrycznej w temperaturze otoczenia, bez konieczności stosowania gradientu temperatury.
Naukowcy stworzyli nowe organiczne urządzenie termoelektryczne zdolne do pozyskiwania energii z temperatury otoczenia. Chociaż urządzenia termoelektryczne są już wykorzystywane w różnych zastosowaniach, pozostają wyzwania ograniczające ich pełny potencjał. Wykorzystując charakterystyczne właściwości materiałów organicznych, zespół opracował system wytwarzania energii termoelektrycznej w temperaturze pokojowej bez konieczności stosowania gradientu temperatury. Ich ustalenia zostały opublikowane w Komunikacja przyrodnicza.
Urządzenia termoelektryczne, czyli generatory termoelektryczne, to seria materiałów wytwarzających energię, które mogą przekształcać ciepło w energię elektryczną, pod warunkiem że występuje gradient temperatury — gdy jedna strona urządzenia jest gorąca, a druga chłodna. Urządzenia takie były przedmiotem badań i rozwoju ze względu na ich potencjalną użyteczność w pozyskiwaniu ciepła odpadowego z innych metod wytwarzania energii.
Być może najbardziej znanym zastosowaniem generatorów termoelektrycznych są sondy kosmiczne, takie jak Mars Łazik Curiosity lub sonda Voyager. Maszyny te są zasilane przez radioizotopowe generatory termoelektryczne, w których ciepło wytwarzane z izotopów radioaktywnych zapewnia gradient temperatury dla urządzeń termoelektrycznych do zasilania ich instrumentów. Jednakże ze względu na takie kwestie, jak wysokie koszty produkcji, wykorzystanie materiałów niebezpiecznych, niska efektywność energetyczna i konieczność stosowania stosunkowo wysokich temperatur, urządzenia termoelektryczne pozostają obecnie w niewystarczającym stopniu wykorzystywane.
Nowe podejście organiczne
„Badaliśmy sposoby stworzenia urządzenia termoelektrycznego, które mogłoby pobierać energię z temperatury otoczenia. Nasze laboratorium koncentruje się na użyteczności i zastosowaniu związków organicznych, a wiele związków organicznych ma unikalne właściwości, dzięki którym mogą z łatwością przekazywać między sobą energię” – wyjaśnia profesor Chihaya Adachi z Centrum Badań nad Organiczną Fotoniką i Elektroniką (OPERA) Uniwersytetu Kiusiu, która kierowała badaniem badanie. „Dobry przykład mocy związków organicznych można znaleźć w diodach OLED lub organicznych ogniwach słonecznych”.
Kluczem było znalezienie związków, które dobrze działają na interfejsach przenoszenia ładunku, co oznacza, że mogą z łatwością przenosić elektrony między sobą. Po przetestowaniu różnych materiałów zespół odkrył dwa opłacalne związki: ftalocyjaninę miedzi (CuPc) i heksadekafluoroftalocyjaninę miedzi (F16CuPc).
„Aby poprawić właściwości termoelektryczne tego nowego interfejsu, dodaliśmy także fulereny i BCP” – kontynuuje Adachi. „Wiadomo, że dobrze ułatwiają transport elektronów. Dodanie tych związków znacząco zwiększyło moc urządzenia. Ostatecznie otrzymaliśmy zoptymalizowane urządzenie z warstwą CuPc o grubości 180 nm i warstwą F o grubości 320 nm16CuPc, 20 nm fulerenu i 20 nm BCP.”
Zoptymalizowane urządzenie miało napięcie jałowe 384 mV, gęstość prądu zwarciowego 1,1 μA/cm2i maksymalną moc wyjściową 94 nW/cm2. Co więcej, wszystkie te wyniki uzyskano w temperaturze pokojowej, bez stosowania gradientu temperatury.
„Nastąpił znaczny postęp w rozwoju urządzeń termoelektrycznych, a nasze nowe proponowane urządzenie organiczne z pewnością pomoże w rozwoju” – podsumowuje Adachi. „Chcielibyśmy kontynuować prace nad tym nowym urządzeniem i sprawdzić, czy uda nam się je jeszcze bardziej zoptymalizować, stosując różne materiały. Większą gęstość prądu możemy nawet osiągnąć, jeśli zwiększymy powierzchnię urządzenia, co jest niezwykłe nawet w przypadku materiałów organicznych. To tylko pokazuje, że materiały organiczne mają niesamowity potencjał.”
Odniesienie: „Organiczne urządzenie termoelektryczne wykorzystujące interfejs przeniesienia ładunku do generowania ładunku poprzez zbieranie energii cieplnej” autorstwa Shuna Kondo, Mana Kameyama, Kentaro Imaoka, Yoko Shimoi, Fabrice Mathevet, Takashi Fujihara, Hiroshi Goto, Hajime Nakanotani, Masayuki Yahiro i Chihaya Adachi, 19 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52047-5
Badanie zostało sfinansowane przez Japońską Agencję Nauki i Technologii, Fundację Naukową Murata i Instytut GCE.
