Was wäre, wenn Sie Ihre Klimaanlage an einem warmen Sommertag nicht mit herkömmlichem Strom, sondern mit Sonnenwärme betreiben könnten? Mit Fortschritten in der thermoelektrischen Technologie könnte diese nachhaltige Lösung eines Tages Realität werden.
Thermoelektrische Geräte werden aus Materialien hergestellt, die eine Temperaturdifferenz in Elektrizität umwandeln können, ohne dass bewegliche Teile erforderlich sind — eine Qualität, die Thermoelektrika zu einer potenziell attraktiven Stromquelle macht. Das Phänomen ist reversibel: Wenn Elektrizität an ein thermoelektrisches Gerät angelegt wird, kann es zu einer Temperaturdifferenz kommen. Heutzutage werden thermoelektrische Geräte für Anwendungen mit relativ geringem Stromverbrauch verwendet, z. B. für die Stromversorgung kleiner Sensoren entlang von Ölpipelines, die Sicherung von Batterien auf Raumsonden und die Kühlung von Minikühlschränken.Wissenschaftler hoffen jedoch, leistungsfähigere thermoelektrische Geräte zu entwickeln, die Wärme — die als Nebenprodukt industrieller Prozesse und Verbrennungsmotoren entsteht — nutzen und diese ansonsten verschwendete Wärme in Elektrizität umwandeln. Die Effizienz thermoelektrischer Geräte oder die Energiemenge, die sie erzeugen können, ist derzeit jedoch begrenzt.Jetzt haben Forscher am MIT einen Weg gefunden, diese Effizienz zu verdreifachen, indem sie „topologische“ Materialien verwenden, die einzigartige elektronische Eigenschaften haben. Während frühere Arbeiten darauf hindeuteten, dass topologische Materialien als effiziente thermoelektrische Systeme dienen können, gab es wenig Verständnis dafür, wie Elektronen in solchen topologischen Materialien als Reaktion auf Temperaturunterschiede wandern würden, um einen thermoelektrischen Effekt zu erzeugen.In einem Papier, das diese Woche in den Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, identifizieren die MIT-Forscher die zugrunde liegende Eigenschaft, die bestimmte topologische Materialien zu einem potenziell effizienteren thermoelektrischen Material im Vergleich zu bestehenden Geräten macht.“Wir haben festgestellt, dass wir die Grenzen dieses nanostrukturierten Materials auf eine Weise verschieben können, die topologische Materialien zu einem guten thermoelektrischen Material macht, mehr als herkömmliche Halbleiter wie Silizium“, sagt Te-Huan Liu, Postdoc am MIT Department of Mechanical Engineering. „Am Ende könnte dies ein Weg sein, mit sauberer Energie eine Wärmequelle zur Stromerzeugung zu nutzen, wodurch die Freisetzung von Kohlendioxid verringert wird.“
Liu ist Erstautor des PNAS-Papiers, zu dem die Doktoranden Jiawei Zhou, Zhiwei Ding und Qichen Song gehören; Mingda Li, Assistenzprofessor am Department of Nuclear Science and Engineering; ehemaliger Doktorand Bolin Liao, jetzt Assistenzprofessor an der University of California in Santa Barbara; Liang Fu, der Biedenharn Associate Professor für Physik; und Gang Chen, der Soderberg-Professor und Leiter der Abteilung für Maschinenbau.Wenn ein thermoelektrisches Material einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird — zum Beispiel wird ein Ende erhitzt, während das andere gekühlt wird -, beginnen Elektronen in diesem Material vom heißen zum kalten Ende zu fließen und erzeugen einen elektrischen Strom. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto mehr elektrischer Strom wird erzeugt und desto mehr Leistung wird erzeugt. Die Menge an Energie, die erzeugt werden kann, hängt von den besonderen Transporteigenschaften der Elektronen in einem bestimmten Material ab.Wissenschaftler haben beobachtet, dass einige topologische Materialien durch Nanostrukturierung zu effizienten thermoelektrischen Bauelementen verarbeitet werden können, eine Technik, mit der Wissenschaftler ein Material synthetisieren, indem sie seine Merkmale im Nanometerbereich strukturieren. Wissenschaftler haben gedacht, dass der thermoelektrische Vorteil topologischer Materialien von einer verringerten Wärmeleitfähigkeit in ihren Nanostrukturen herrührt. Es ist jedoch unklar, wie diese Effizienzsteigerung mit den inhärenten topologischen Eigenschaften des Materials zusammenhängt.Um diese Frage zu beantworten, untersuchten Liu und seine Kollegen die thermoelektrische Leistung von Zinntellurid, einem topologischen Material, von dem bekannt ist, dass es ein gutes thermoelektrisches Material ist. Die Elektronen in Zinntellurid weisen auch besondere Eigenschaften auf, die eine Klasse topologischer Materialien nachahmen, die als Dirac-Materialien bekannt sind.
Das Team zielte darauf ab, den Effekt der Nanostrukturierung auf die thermoelektrische Leistung von Zinntellurid zu verstehen, indem es die Art und Weise simulierte, wie Elektronen durch das Material wandern. Um den Elektronentransport zu charakterisieren, verwenden Wissenschaftler häufig eine Messung, die als „mittlerer freier Weg“ bezeichnet wird, oder die durchschnittliche Entfernung, die ein Elektron mit einer gegebenen Energie frei innerhalb eines Materials zurücklegen würde, bevor es von verschiedenen Objekten oder Defekten in diesem Material gestreut wird.
Nanostrukturierte Materialien ähneln einem Flickenteppich winziger Kristalle, die jeweils Grenzen aufweisen, die als Korngrenzen bezeichnet werden und einen Kristall von einem anderen trennen. Wenn Elektronen auf diese Grenzen stoßen, neigen sie dazu, auf verschiedene Arten zu streuen. Elektronen mit langen mittleren freien Pfaden streuen stark, wie Kugeln, die von einer Wand abprallen, während Elektronen mit kürzeren mittleren freien Pfaden viel weniger betroffen sind.
In ihren Simulationen fanden die Forscher heraus, dass die Elektroneneigenschaften von Zinntellurid einen signifikanten Einfluss auf ihre mittleren freien Wege haben. Sie zeichneten den Bereich der Elektronenenergien von Zinntellurid gegen die zugehörigen mittleren freien Pfade auf und stellten fest, dass der resultierende Graph sehr unterschiedlich aussah als bei den meisten herkömmlichen Halbleitern. Insbesondere für Zinntellurid und möglicherweise andere topologische Materialien legen die Ergebnisse nahe, dass Elektronen mit höherer Energie einen kürzeren mittleren freien Weg haben, während Elektronen mit niedrigerer Energie normalerweise einen längeren mittleren freien Weg besitzen.Das Team untersuchte dann, wie diese Elektroneneigenschaften die thermoelektrische Leistung von Zinntellurid beeinflussen, indem es im Wesentlichen die thermoelektrischen Beiträge von Elektronen mit unterschiedlichen Energien und mittleren freien Pfaden summierte. Es stellt sich heraus, dass die Fähigkeit des Materials, Elektrizität zu leiten oder einen Elektronenfluss unter einem Temperaturgradienten zu erzeugen, weitgehend von der Elektronenenergie abhängt.Insbesondere fanden sie heraus, dass niederenergetische Elektronen dazu neigen, die Erzeugung einer Spannungsdifferenz und damit elektrischen Stroms negativ zu beeinflussen. Diese niederenergetischen Elektronen haben auch längere mittlere freie Wege, das heißt, sie können intensiver als höherenergetische Elektronen an Korngrenzen gestreut werden.
Verkleinerung
In ihren Simulationen ging das Team noch einen Schritt weiter und spielte mit der Größe der einzelnen Körner von Zinntellurid, um zu sehen, ob dies Auswirkungen auf den Elektronenfluss unter einem Temperaturgradienten hatte. Sie fanden heraus, dass sie, wenn sie den Durchmesser eines durchschnittlichen Korns auf etwa 10 Nanometer verringerten und seine Grenzen näher zusammenbrachten, einen erhöhten Beitrag von höherenergetischen Elektronen beobachteten.Das heißt, bei kleineren Korngrößen tragen höherenergetische Elektronen viel mehr zur elektrischen Leitung des Materials bei als niederenergetische Elektronen, da sie kürzere mittlere freie Wege haben und weniger wahrscheinlich gegen Korngrenzen streuen. Dies führt zu einer größeren Spannungsdifferenz, die erzeugt werden kann.Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass eine Verringerung der durchschnittlichen Korngröße von Zinntellurid auf etwa 10 Nanometer dreimal so viel Elektrizität produzierte, wie das Material mit größeren Körnern produziert hätte.Liu sagt, dass, während die Ergebnisse auf Simulationen basieren, Forscher ähnliche Leistung erzielen können, indem sie Zinntellurid und andere topologische Materialien synthetisieren und ihre Korngröße unter Verwendung einer Nanostrukturierungstechnik justieren. Andere Forscher haben vorgeschlagen, dass das Schrumpfen der Korngröße eines Materials seine thermoelektrische Leistung erhöhen könnte, aber Liu sagt, dass sie meistens angenommen haben, dass die ideale Größe viel größer als 10 Nanometer wäre.“In unseren Simulationen haben wir festgestellt, dass wir die Korngröße eines topologischen Materials viel stärker verkleinern können als bisher angenommen, und basierend auf diesem Konzept können wir seine Effizienz steigern“, sagt Liu.
Zinntellurid ist nur ein Beispiel für viele topologische Materialien, die noch erforscht werden müssen. Wenn Forscher die ideale Korngröße für jedes dieser Materialien bestimmen können, sagt Liu, dass topologische Materialien bald eine praktikable, effizientere Alternative zur Erzeugung sauberer Energie sein könnten.“Ich denke, topologische Materialien eignen sich sehr gut für thermoelektrische Materialien, und unsere Ergebnisse zeigen, dass dies ein vielversprechendes Material für zukünftige Anwendungen ist“, sagt Liu.Diese Forschung wurde teilweise vom Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, einem Energy Frontier Research Center des US-Energieministeriums, und der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) unterstützt.