Co kdybyste mohli spustit klimatizaci na konvenční elektřiny, ale na slunci je teplo během teplého letního dne? S pokrokem v termoelektrické technologii by se toto udržitelné řešení mohlo jednoho dne stát realitou.
Termoelektrické zařízení jsou vyrobeny z materiálů, které lze převést teplotního rozdílu na elektrickou energii, bez nutnosti jakékoliv pohyblivé části — kvalita, která dělá thermoelectrics potenciálně atraktivní zdroj elektrické energie. Tento jev je reverzibilní: pokud je elektřina aplikována na termoelektrické zařízení, může způsobit teplotní rozdíl. Dnes se termoelektrická zařízení používají pro aplikace s relativně nízkým výkonem, jako je napájení malých senzorů podél ropovodů, zálohování baterií na kosmických sondách a chlazení minifridges.
Ale vědci doufají, že se design silnější termoelektrické zařízení, které bude sklízet tepla — vyrábí jako vedlejší produkt z průmyslových procesů a spalovací motory — a zase, že jinak zbytečně teplo na elektřinu. Účinnost termoelektrických zařízení nebo množství energie, které jsou schopny vyrobit, je však v současné době omezená.
Nyní vědci z MIT objevili způsob, jak zvýšit účinnost trojí, pomocí „topologická“ materiálů, které mají jedinečné elektronické vlastnosti. Zatímco dřívější práce naznačují, že topologické materiály mohou sloužit jako efektivní tepelné systémy, tam bylo málo pochopení, jak se elektrony v takové topologické materiály by cestování v reakci na teplotní rozdíly za účelem vytvoření termoelektrický efekt.
Ve studii zveřejněné tento týden v Proceedings of the Národní Akademie Věd, výzkumníci z MIT identifikovat základní vlastnost, která dělá určité topologické materiálů potenciálně účinnějších termoelektrických materiálů, ve srovnání se stávajícími zařízeními.
„zjistili Jsme, můžeme posunout hranice tohoto nanostrukturované materiál způsobem, který je topologické materiálů dobrý termoelektrický materiál, více než běžné polovodiče jako křemík,“ říká Te-Huan Liu, post-doktorand na MIT Oddělení Mechanického Inženýrství. „Nakonec by to mohl být způsob čisté energie, který nám pomůže využít zdroj tepla k výrobě elektřiny, což sníží naše uvolňování oxidu uhličitého.“
Liu je první autor PNAS papír, který zahrnuje postgraduální studenty Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, a Qichen Píseň; Mingda Li, odborný asistent na Oddělení Vědy a Jaderného Inženýrství, bývalý postgraduální student Bolin Liao, nyní asistent profesor na University of California v Santa Barbaře; Liang Fu, Biedenharn Profesor Fyziky; a Gang Chen, Profesor Soderbergu a vedoucí katedry strojírenství.
cesta volně cestoval,
Když termoelektrický materiál je vystaven teplotní gradient — například, jeden konec se zahřívá, zatímco ostatní se ochladí — elektrony v materiálu začne proudit z horkého konce na studený konec, vytváří elektrický proud. Čím větší je teplotní rozdíl, tím více elektrického proudu je produkováno a čím více energie je generováno. Množství energie, které lze generovat, závisí na konkrétních transportních vlastnostech elektronů v daném materiálu.
Vědci zjistili, že některé topologické materiály mohou být vyrobeny do efektivní termoelektrické zařízení prostřednictvím nanostructuring, technika, vědci použít k syntéze materiál vzorováním jeho funkce v rozsahu nanometrů. Vědci si mysleli, že termoelektrická výhoda topologických materiálů pochází ze snížené tepelné vodivosti v jejich nanostrukturách. Není však jasné, jak toto zvýšení účinnosti souvisí s inherentními topologickými vlastnostmi materiálu.
Aby se pokusila odpovědět na tuto otázku, Liu a jeho kolegové studovali termoelektrický výkon cínu, telluride, topologické materiál, který je známo, že být dobrý termoelektrický materiál. Elektrony v telluridu cínu také vykazují zvláštní vlastnosti, které napodobují třídu topologických materiálů známých jako diracovy materiály.
týmu bylo pochopit vliv nanostructuring na cín telluride je termoelektrický výkon, tím, že simuluje způsob, jak elektrony cestovat přes materiál. Charakterizovat elektronový transport, vědci často používají měření, které se nazývá „střední volná dráha,“ nebo průměrnou vzdálenost elektronů s daným energetickým by volně cestovat v rámci materiálu, než je rozptýlené různé předměty nebo vady v materiálu.
nanostrukturované materiály připomínají mozaiku drobných krystalů, každý s hranicemi, známými jako hranice zrn, které oddělují jeden krystal od druhého. Když se elektrony setkají s těmito hranicemi, mají tendenci se rozptýlit různými způsoby. Elektrony s dlouhou střední volná cesty rozptýlí silně, jako kulky odrážející se ode zdi, zatímco elektrony s kratší střední volná dráhy jsou mnohem méně ovlivněny.
ve svých simulacích vědci zjistili, že elektronové charakteristiky tin telluridu mají významný dopad na jejich střední volné dráhy. Oni vynesou plechové telluride je rozsah elektronové energie proti souborům říct, toaletní cesty, a zjistil, že výsledný graf vypadal úplně jinak než ti, pro většinu běžných polovodičů. Konkrétně, pro cín telluride a případně další topologické materiály, výsledky naznačují, že elektrony s vyšší energií mají kratší střední volná dráha, zatímco nižší-energie elektronů obvykle mají delší střední volnou cestu.
tým, pak se podíval na to, jak tyto elektronové vlastnosti ovlivňují tin telluride je termoelektrický výkon, v podstatě shrnující termoelektrické příspěvky od elektronů s energiemi a střední volné cesty. Ukazuje se, že schopnost materiálu vést elektřinu nebo generovat tok elektronů pod teplotním gradientem je do značné míry závislá na energii elektronů.
konkrétně zjistili, že elektrony s nižší energií mají tendenci mít negativní dopad na generování rozdílu napětí, a tedy elektrického proudu. Tyto nízkoenergetické elektrony mají také delší střední volné dráhy, což znamená, že mohou být rozptýleny hranicemi zrn intenzivněji než elektrony s vyšší energií.
Velikosti
Jít ještě o krok dále v jejich simulace, tým hrál s velikostí tin telluride jednotlivých zrn, aby zjistili, zda to mělo nějaký vliv na tok elektronů pod teplotní gradient. Zjistili, že když se jim snížil průměr průměr zrna cca 10 nanometrů, čímž se jeho hranice blíž k sobě, pozorovali zvýšený příspěvek z vyšší energetické elektrony.
to znamená, Že s menší velikostí zrna, vyšší energie elektronů přispívají mnohem více materiálu je elektrická vodivost, než nižší-energie elektronů, protože mají kratší střední volná cesty a jsou méně pravděpodobné, že bodový proti obilí hranice. To má za následek větší rozdíl napětí, který může být generován.
a co víc, vědci zjistili, že snížení průměrné velikosti zrna telluridu na přibližně 10 nanometrů produkovalo trojnásobek množství elektřiny, které by materiál produkoval s většími zrny.
Liu říká, že zatímco výsledky jsou založeny na simulacích, mohou vědci dosáhnout podobné výkonnosti syntézou tin telluride a další topologické materiálů, a upraví jejich velikost zrna pomocí nanostructuring technika. Jiní badatelé se domnívají, že smršťování materiálu je velikost zrna může zvýšit jeho termický výkon, ale Liu říká, že mají většinou předpokládá, že ideální velikost by byla mnohem větší, než 10 nanometrů.
„V naší simulace jsme zjistili, můžeme zmenšit topologické materiál je velikost zrna mnohem více, než se dříve myslelo, a na základě tohoto konceptu, můžeme zvýšit jeho efektivitu,“ Liu říká.
tellurid cínu je jen jedním z příkladů mnoha topologických materiálů, které ještě nebyly prozkoumány. Pokud vědci mohou určit ideální velikost zrna pro každý z těchto materiálů, Liu říká topologické materiálů může brzy být životaschopné, efektivnější alternativu k produkci čisté energie.
„myslím si, že topologické materiály jsou velmi dobré pro termoelektrické materiály, a naše výsledky ukazují, že je to velmi slibný materiál pro budoucí aplikace,“ Liu říká.
Tento výzkum byl podporován z části Solid-State Solární Tepelné Energie Konverze Center, Energy Frontier Research Center AMERICKÉ Ministerstvo Energetiky, a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).