Wat als u uw airconditioner niet op conventionele elektriciteit kon laten draaien, maar op de warmte van de zon tijdens een warme zomerdag? Met de vooruitgang in de thermo-elektrische technologie kan deze duurzame oplossing ooit werkelijkheid worden.
Thermo-elektrische apparaten zijn gemaakt van materialen die een temperatuurverschil in elektriciteit kunnen omzetten, zonder dat bewegende delen nodig zijn — een kwaliteit die thermo-elektriciteit een potentieel aantrekkelijke bron van elektriciteit maakt. Het fenomeen is omkeerbaar: als elektriciteit wordt toegepast op een thermo-elektrisch apparaat, kan het een temperatuurverschil veroorzaken. Vandaag de dag worden thermo-elektrische apparaten gebruikt voor relatief lage-power toepassingen, zoals het voeden van kleine sensoren langs oliepijpleidingen, back-up van batterijen op ruimtesondes, en het koelen van minifridges.maar wetenschappers hopen krachtiger thermo — elektrische apparaten te ontwerpen die warmte — geproduceerd als een bijproduct van industriële processen en verbrandingsmotoren-zullen oogsten en die anders verspilde warmte in elektriciteit zullen omzetten. De efficiëntie van thermo-elektrische apparaten, of de hoeveelheid energie die ze kunnen produceren, is momenteel echter beperkt.
onderzoekers aan het MIT hebben nu een manier gevonden om die efficiëntie drievoudig te verhogen, met behulp van “topologische” materialen, die unieke elektronische eigenschappen hebben. Hoewel het werk in het verleden heeft gesuggereerd dat topologische materialen kunnen dienen als efficiënte thermo-elektrische systemen, is er weinig begrip geweest over hoe elektronen in dergelijke topologische materialen zouden reizen als reactie op temperatuurverschillen om een thermo-elektrisch effect te produceren.
in een paper gepubliceerd deze week in de Proceedings of the National Academy of Sciences, de MIT onderzoekers identificeren de onderliggende eigenschap die bepaalde topologische materialen een potentieel efficiënter thermo-elektrisch materiaal, in vergelijking met bestaande apparaten.
” we hebben ontdekt dat we de grenzen van dit nanogestructureerde materiaal kunnen verleggen op een manier die topologische materialen een goed thermo-elektrisch materiaal maakt, meer dan conventionele halfgeleiders zoals silicium,” zegt te-Huan Liu, een postdoc in MIT ‘ s Afdeling Werktuigbouwkunde. “Uiteindelijk zou dit een manier van schone energie kunnen zijn om ons te helpen een warmtebron te gebruiken om elektriciteit op te wekken, waardoor we minder kooldioxide vrijkomen.”
Liu is de eerste auteur van de PNAS paper, die bestaat uit studenten Jiawei Zhou, Zhiwei Ding, en Qichen Song; Mingda Li, assistent professor in het Departement van nucleaire wetenschap en techniek; voormalig afgestudeerde student Bolin Liao, nu een assistent professor aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara; Liang Fu, De Biedenharn Associate Professor of Physics; en Gang Chen, de Soderberg Professor en hoofd van de afdeling Werktuigbouwkunde.
een vrij geleid pad
wanneer een thermo — elektrisch materiaal wordt blootgesteld aan een temperatuurgradiënt — bijvoorbeeld wanneer het ene uiteinde wordt verwarmd, terwijl het andere wordt gekoeld-beginnen elektronen in dat materiaal van het warme naar het koude uiteinde te stromen, waardoor een elektrische stroom wordt opgewekt. Hoe groter het temperatuurverschil, hoe meer elektrische stroom wordt geproduceerd en hoe meer vermogen wordt gegenereerd. De hoeveelheid energie die kan worden opgewekt hangt af van de specifieke transporteigenschappen van de elektronen in een bepaald materiaal.
wetenschappers hebben waargenomen dat sommige topologische materialen kunnen worden omgezet in efficiënte thermo-elektrische apparaten door middel van nanostructuren, een techniek die wetenschappers gebruiken om een materiaal te synthetiseren door het patroon van de kenmerken op de schaal van nanometers. Wetenschappers hebben gedacht dat het thermo-elektrische voordeel van topologische materialen afkomstig is van een verminderde thermische geleidbaarheid in hun nanostructuren. Maar het is onduidelijk hoe deze verhoging van efficiëntie verbonden is met de inherente, topologische eigenschappen van het materiaal.om deze vraag te beantwoorden bestudeerden Liu en zijn collega ‘ s De thermo-elektrische prestaties van tintelluride, een topologisch materiaal waarvan bekend is dat het een goed thermo-elektrisch materiaal is. De elektronen in tin telluride vertonen ook eigenaardige eigenschappen die een klasse van topologische materialen nabootsen die als Dirac materialen worden bekend.
het team probeerde het effect van nanostructuren op de thermo-elektrische prestaties van tintelluride te begrijpen door de manier te simuleren waarop elektronen door het materiaal reizen. Om elektronentransport te karakteriseren, gebruiken wetenschappers vaak een meting genaamd De “gemiddelde vrije weg”, of de gemiddelde afstand die een elektron met een bepaalde energie vrij zou reizen binnen een materiaal voordat het door verschillende objecten of defecten in dat materiaal wordt verstrooid.
Nanogestructureerde materialen lijken op een lappendeken van kleine kristallen, elk met randen, bekend als korrelgrenzen, die het ene kristal van het andere scheiden. Wanneer elektronen deze grenzen tegenkomen, hebben ze de neiging om zich op verschillende manieren te verspreiden. Elektronen met lange gemiddelde vrije paden zullen sterk verstrooien, zoals kogels die van een muur afketsen, terwijl elektronen met kortere gemiddelde vrije paden veel minder worden beïnvloed.
in hun simulaties ontdekten de onderzoekers dat tintelluride ‘ s elektron karakteristieken een significante invloed hebben op hun gemiddelde vrije paden. Ze plotten tin telluride ‘ s bereik van elektronenenergieën tegen de bijbehorende gemiddelde vrije paden, en vonden de resulterende grafiek zag er heel anders uit dan die voor de meeste conventionele halfgeleiders. Specifiek, voor tin telluride en mogelijk andere topologische materialen, suggereren de resultaten dat elektronen met hogere energie een kortere gemiddelde vrije weg hebben, terwijl elektronen met lagere energie gewoonlijk een langere gemiddelde vrije weg bezitten.
het team onderzocht vervolgens hoe deze elektroneneigenschappen de thermo-elektrische prestaties van tintelluride beïnvloeden, door in wezen de thermo-elektrische bijdragen van elektronen met verschillende energieën en gemiddelde vrije paden samen te vatten. Het blijkt dat het vermogen van het materiaal om elektriciteit te geleiden, of het genereren van een stroom van elektronen, onder een temperatuurgradiënt, is grotendeels afhankelijk van de elektronenenergie.
specifiek stelden zij vast dat elektronen met een lagere energie een negatieve invloed hebben op de opwekking van een spanningsverschil, en dus elektrische stroom. Deze lage-energie elektronen hebben ook langere gemiddelde vrije paden, wat betekent dat ze kunnen worden verspreid door korrelgrenzen intensiever dan hoger-energie elektronen.
een stap verder in hun simulaties, speelde het team met de grootte van tin telluride ‘ s individuele korrels om te zien of dit enig effect had op de stroom van elektronen onder een temperatuurgradiënt. Ze ontdekten dat toen ze de diameter van een gemiddeld korreltje verminderden tot ongeveer 10 nanometer, waardoor de grenzen dichter bij elkaar kwamen, ze een verhoogde bijdrage van elektronen met een hogere energie zagen.
dat wil zeggen, met kleinere korrelgroottes, dragen elektronen met hogere energie veel meer bij aan de elektrische geleiding van het materiaal dan elektronen met lagere energie, omdat ze kortere gemiddelde vrije paden hebben en minder kans hebben om zich tegen korrelgrenzen te verspreiden. Dit resulteert in een groter spanningsverschil dat kan worden gegenereerd.
bovendien vonden de onderzoekers dat het verminderen van de gemiddelde korrelgrootte van tintelluride tot ongeveer 10 nanometer drie keer zoveel elektriciteit produceerde als het materiaal zou hebben geproduceerd met grotere korrels.
Liu zegt dat hoewel de resultaten gebaseerd zijn op simulaties, onderzoekers vergelijkbare prestaties kunnen bereiken door tintelluride en andere topologische materialen te synthetiseren en hun korrelgrootte aan te passen met behulp van een nanostructureringstechniek. Andere onderzoekers hebben gesuggereerd dat het krimpen van de korrelgrootte van een materiaal zijn thermo-elektrische prestaties zou kunnen verhogen, maar Liu zegt dat ze meestal hebben aangenomen dat de ideale grootte veel groter zou zijn dan 10 nanometer.
” in onze simulaties hebben we ontdekt dat we de korrelgrootte van een topologisch materiaal veel meer kunnen verkleinen dan eerder gedacht, en op basis van dit concept kunnen we de efficiëntie ervan verhogen, ” zegt Liu.
Tintelluride is slechts een voorbeeld van vele topologische materialen die nog moeten worden onderzocht. Als onderzoekers de ideale korrelgrootte voor elk van deze materialen kunnen bepalen, zegt Liu dat topologische materialen binnenkort een levensvatbaar, efficiënter alternatief kunnen zijn voor het produceren van schone energie.”ik denk dat topologische materialen zeer goed zijn voor thermo-elektrische materialen, en onze resultaten laten zien dat dit een veelbelovend materiaal is voor toekomstige toepassingen,” zegt Liu.
dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door het Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, een Energy Frontier Research Center van het Amerikaanse Ministerie van energie; en het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).