Naukowcy zademonstrowali nową metodę przekształcania ciepła w energię elektryczną przy użyciu dwukrzemku wolframu, wykazując potencjał w zakresie bardziej wydajnych urządzeń termoelektrycznych, które mogłyby zrewolucjonizować efektywność energetyczną w różnych zastosowaniach.
Materiały termoelektryczne, które przekształcają ciepło w energię elektryczną, odgrywają kluczową rolę w wychwytywaniu ciepła odpadowego i przekształcaniu go w energię użytkową. Materiały te są szczególnie korzystne w gałęziach przemysłu i pojazdach, w których silniki wytwarzają znaczną ilość ciepła odpadowego, zwiększając efektywność energetyczną poprzez wytwarzanie dodatkowej energii elektrycznej. Są one również obiecujące w zastosowaniach związanych z przenośnym zasilaniem, takich jak zdalne czujniki i satelity, gdzie tradycyjne źródła zasilania mogą nie być wykonalne.
Odkrywanie poprzecznych urządzeń termoelektrycznych
Tradycyjne urządzenia termoelektryczne, zwane równoległymi urządzeniami termoelektrycznymi, generują napięcie w tym samym kierunku, co przepływ ciepła. Urządzenia te opierają się na dwóch rodzajach równoległych materiałów, typu p i typu n, które wytwarzają napięcia w przeciwnych kierunkach. Połączone szeregowo wytwarzają silniejsze napięcie, ale taka konfiguracja zwiększa liczbę punktów styku, co prowadzi do wyższej rezystancji elektrycznej i strat energii.
Z drugiej strony, poprzeczne urządzenia termoelektryczne wytwarzają energię elektryczną prostopadle do przepływu ciepła, co stanowi wyraźną zaletę. Dzięki mniejszej liczbie punktów styku urządzenia te umożliwiają bardziej efektywną konwersję energii. Obiecująca klasa materiałów na te urządzenia obejmuje materiały o „polaryzacji przewodzenia zależnej od osi” (ADCP), znane również jako przewodniki goniopolarne. Materiały te przewodzą ładunki dodatnie (typu p) w jednym kierunku i ładunki ujemne (typu n) w innym. Jednak pomimo ich potencjału, poprzeczny efekt termoelektryczny (TTE) był dotychczas mniej badany.
Przełom w poprzecznej konwersji termoelektrycznej
W tym celu zespół badawczy z Japonii, kierowany przez profesora nadzwyczajnego Ryuji Okazakiego z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Naukowego w Tokio (TUS), w tym pana Shoyę Ohsumi z TUS i dr Yoshiki J. Sato z Uniwersytetu Saitama, osiągnięto TTE w dwukrzemku półmetalu wolframu (WSi2). Choć wcześniejsze badania wykazały, że WSi2 wykazuje ADCP, jego pochodzenie i przewidywana wartość TTE nie zostały wykryte w eksperymentach.
„Poprzeczna konwersja termoelektryczna to zjawisko zyskujące na popularności jako nowa podstawowa technologia czujników zdolnych do pomiaru temperatury i przepływu ciepła. Jednakże liczba takich materiałów jest ograniczona i nie ustalono żadnych wytycznych projektowych. Jest to pierwsza bezpośrednia demonstracja poprzecznej konwersji termoelektrycznej w WSi2”, wyjaśnia prof. Okazaki.
Ich badanie opublikowano 13 listopada 2024 roku w czasopiśmie Energia PRX.
Wnioski z badania dotyczącego dwukrzemku wolframu
Naukowcy przeanalizowali właściwości WSi2 poprzez połączenie eksperymentów fizycznych i symulacji komputerowych. Zmierzyli moc cieplną, rezystywność elektryczną i przewodność cieplną WSi2 monokryształ wzdłuż dwóch osi krystalograficznych w niskich temperaturach. Ustalili, że ADCP WSi2 wywodzi się z unikalnej struktury elektronowej, charakteryzującej się mieszanymi wymiarami powierzchniami Fermiego. Struktura ta ujawnia, że elektrony i dziury (nośniki ładunku dodatniego) istnieją w różnych wymiarach.
Powierzchnia Fermiego to teoretyczna powierzchnia geometryczna, która oddziela zajęte i niezajęte stany elektroniczne nośników ładunku wewnątrz materiału stałego. W WSI2elektrony tworzą quasi-jednowymiarowe powierzchnie Fermiego, a dziury tworzą quasi-dwuwymiarowe powierzchnie Fermiego. Te unikalne powierzchnie Fermiego wytwarzają przewodność specyficzną dla kierunku, umożliwiając efekt TTE.
Naukowcy zaobserwowali także różnice w sposobie, w jaki te nośniki ładunku przewodzą prąd od próbki do próbki, co jest zgodne z wcześniejszymi badaniami. Korzystając z symulacji opartych na pierwszych zasadach, badacze wykazali, że różnice te wynikają z różnic w sposobie rozpraszania nośników ładunku z powodu niedoskonałości struktury sieci krystalicznej WSi2. Ta wiedza jest kluczem do udoskonalenia materiału i opracowania niezawodnych urządzeń termoelektrycznych. Ponadto zademonstrowali bezpośrednie generowanie TTE w WSi2 poprzez zastosowanie różnicy temperatur pod określonym kątem w stosunku do obu osi krystalograficznych, w wyniku czego napięcie jest prostopadłe do różnicy temperatur.
„Nasze wyniki wskazują, że WSi2 jest obiecującym kandydatem na urządzenia oparte na technologii TTE. Mamy nadzieję, że badania te doprowadzą do opracowania nowych czujników i odkrycia nowych poprzecznych materiałów termoelektrycznych” – mówi prof. Okazaki.
Wyjaśniając mechanizm generacji TTE w WSi2badanie to idzie o krok dalej w kierunku zaawansowanych materiałów, które mogą wydajniej przekształcać ciepło w energię elektryczną, co prowadzi do bardziej ekologicznej przyszłości.
Odniesienie: „Poprzeczna konwersja termoelektryczna w mieszanym półmetalu WSi2” Shoya Ohsumi, Yoshiki J. Sato i Ryuji Okazaki, 13 listopada 2024 r., Energia PRX.
DOI: 10.1103/PRXEnergy.3.043007
