Hvad hvis du kunne køre dit klimaanlæg ikke på konventionel elektricitet, men på solens varme i løbet af en varm sommerdag? Med fremskridt inden for termoelektrisk teknologi kan denne bæredygtige løsning en dag blive en realitet.
termoelektriske enheder er lavet af materialer, der kan konvertere en temperaturforskel til elektricitet uden at kræve bevægelige dele — en kvalitet, der gør termoelektrik til en potentielt tiltalende kilde til elektricitet. Fænomenet er reversibelt: hvis der påføres elektricitet på en termoelektrisk enhed, kan det producere en temperaturforskel. I dag bruges termoelektriske enheder til applikationer med relativt lav effekt, såsom at drive små sensorer langs olierørledninger, sikkerhedskopiere batterier på rumprober og køle minifridges.
men forskere håber at designe mere kraftfulde termoelektriske enheder, der vil høste varme — produceret som et biprodukt af industrielle processer og forbrændingsmotorer — og omdanne den ellers spildte varme til elektricitet. Imidlertid er effektiviteten af termoelektriske enheder eller mængden af energi, de er i stand til at producere, i øjeblikket begrænset.
nu har forskere ved MIT opdaget en måde at øge denne effektivitet tredobbelt ved hjælp af “topologiske” materialer, som har unikke elektroniske egenskaber. Mens tidligere arbejde har antydet, at topologiske materialer kan tjene som effektive termoelektriske systemer, har der været ringe forståelse for, hvordan elektroner i sådanne topologiske materialer ville rejse som reaktion på temperaturforskelle for at producere en termoelektrisk effekt.
i et papir, der blev offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences, identificerer MIT-forskerne den underliggende egenskab, der gør visse topologiske materialer til et potentielt mere effektivt termoelektrisk materiale sammenlignet med eksisterende enheder.”vi har fundet ud af, at vi kan skubbe grænserne for dette nanostrukturerede materiale på en måde, der gør topologiske materialer til et godt termoelektrisk materiale, mere end konventionelle halvledere som silicium,” siger Te-Huan Liu, en postdoc i MIT ‘ s Institut for maskinteknik. “I sidste ende kan dette være en ren energi måde at hjælpe os med at bruge en varmekilde til at generere elektricitet, hvilket vil mindske vores frigivelse af kulsyre.”
Liu er førsteforfatter af PNAS-papiret, som inkluderer kandidatstuderende, der er studerende, Mingda Li, adjunkt ved Institut for nuklear videnskab og teknik; tidligere kandidatstuderende Bolin Liao, nu adjunkt ved University of California i Santa Barbara; Liang Fu, Biedenharn lektor i fysik; og Gang Chen, Soderberg Professor og leder af Institut for maskinteknik.
en sti frit tilbagelagt
Når et termoelektrisk materiale udsættes for en temperaturgradient — for eksempel opvarmes den ene ende, mens den anden afkøles — elektroner i dette materiale begynder at strømme fra den varme ende til den kolde ende, hvilket genererer en elektrisk strøm. Jo større temperaturforskellen er, jo mere elektrisk strøm produceres, og jo mere strøm genereres. Mængden af energi, der kan genereres, afhænger af elektronernes særlige transportegenskaber i et givet materiale.
forskere har observeret, at nogle topologiske materialer kan gøres til effektive termoelektriske enheder gennem nanostrukturering, en teknik, som forskere bruger til at syntetisere et materiale ved at mønstre dets egenskaber i nanometerskalaen. Forskere har troet, at topologiske materialers termoelektriske fordel kommer fra en reduceret varmeledningsevne i deres nanostrukturer. Men det er uklart, hvordan denne forbedring i effektivitet forbinder med materialets iboende, topologiske egenskaber.
for at forsøge at besvare dette spørgsmål studerede Liu og hans kolleger den termoelektriske ydeevne af tin tellurid, et topologisk materiale, der vides at være et godt termoelektrisk materiale. Elektronerne i tin tellurid udviser også ejendommelige egenskaber, der efterligner en klasse af topologiske materialer kendt som Dirac materialer.
holdet havde til formål at forstå effekten af nanostrukturering på tin tellurids termoelektriske ydeevne ved at simulere den måde, elektroner bevæger sig gennem materialet på. For at karakterisere elektrontransport bruger forskere ofte en måling kaldet “gennemsnitlig fri sti” eller den gennemsnitlige afstand, som en elektron med en given energi frit ville rejse inden i et materiale, før de blev spredt af forskellige genstande eller defekter i dette materiale.nanostrukturerede materialer ligner et kludetæppe af små krystaller, hver med grænser, kendt som korngrænser, der adskiller en krystal fra en anden. Når elektroner støder på disse grænser, har de en tendens til at sprede sig på forskellige måder. Elektroner med lange gennemsnitlige frie stier vil sprede sig stærkt, ligesom kugler ricocheting fra en væg, mens elektroner med kortere gennemsnitlige frie stier er meget mindre påvirket.
i deres simuleringer fandt forskerne, at tin tellurids elektronegenskaber har en betydelig indvirkning på deres gennemsnitlige frie stier. De afbildede tin tellurids række elektronenergier mod de tilknyttede gennemsnitlige frie stier og fandt, at den resulterende graf så meget anderledes ud end for de fleste konventionelle halvledere. Specifikt for tin tellurid og muligvis andre topologiske materialer antyder resultaterne, at elektroner med højere energi har en kortere gennemsnitlig fri sti, mens elektroner med lavere energi normalt har en længere gennemsnitlig fri sti.
holdet så derefter på, hvordan disse elektronegenskaber påvirker tin tellurids termoelektriske ydeevne ved i det væsentlige at opsummere de termoelektriske bidrag fra elektroner med forskellige energier og gennemsnitlige frie stier. Det viser sig, at materialets evne til at lede elektricitet eller generere en strøm af elektroner under en temperaturgradient i høj grad afhænger af elektronenergien.
specifikt fandt de, at elektroner med lavere energi har en negativ indvirkning på genereringen af en spændingsforskel og derfor elektrisk strøm. Disse lavenergielektroner har også længere gennemsnitlige frie stier, hvilket betyder, at de kan spredes af korngrænser mere intensivt end elektroner med højere energi.
størrelse ned
går et skridt videre i deres simuleringer, spillede holdet med størrelsen af tin tellurids individuelle korn for at se, om dette havde nogen effekt på strømmen af elektroner under en temperaturgradient. De fandt ud af, at når de reducerede diameteren af et gennemsnitligt korn til omkring 10 nanometer, hvilket bragte dets grænser tættere sammen, observerede de et øget bidrag fra elektroner med højere energi.
det vil sige med mindre kornstørrelser bidrager elektroner med højere energi meget mere til materialets elektriske ledning end elektroner med lavere energi, da de har kortere gennemsnitlige frie stier og er mindre tilbøjelige til at sprede sig mod korngrænser. Dette resulterer i en større spændingsforskel, der kan genereres.desuden fandt forskerne, at faldende tin tellurids gennemsnitlige kornstørrelse til omkring 10 nanometer producerede tre gange den mængde elektricitet, som materialet ville have produceret med større korn.Liu siger, at mens resultaterne er baseret på simuleringer, kan forskere opnå lignende præstationer ved at syntetisere tin tellurid og andre topologiske materialer og justere deres kornstørrelse ved hjælp af en nanostruktureringsteknik. Andre forskere har antydet, at krympning af et materiales kornstørrelse kan øge dets termoelektriske ydeevne, men Liu siger, at de for det meste har antaget, at den ideelle størrelse ville være meget større end 10 nanometer.
“i vores simuleringer fandt vi, at vi kan krympe et topologisk materiales kornstørrelse meget mere end tidligere antaget, og baseret på dette koncept kan vi øge dets effektivitet,” siger Liu.
Tin telluride er blot et eksempel på mange topologiske materialer, der endnu ikke er udforsket. Hvis forskere kan bestemme den ideelle kornstørrelse for hvert af disse materialer, siger Liu, at topologiske materialer snart kan være et levedygtigt, mere effektivt alternativ til at producere ren energi.
” Jeg synes, topologiske materialer er meget gode til termoelektriske materialer, og vores resultater viser, at dette er et meget lovende materiale til fremtidige applikationer,” siger Liu.
denne forskning blev delvist støttet af Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, et forskningscenter for Energigrænser fra det amerikanske energiministerium; og Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).