vad händer om du kan köra din luftkonditionering inte på konventionell el, men på solens värme under en varm sommardag? Med framsteg inom termoelektrisk teknik kan denna hållbara lösning en dag bli verklighet.
termoelektriska enheter är gjorda av material som kan omvandla en temperaturskillnad till el, utan att kräva några rörliga delar — en kvalitet som gör termoelektrikum till en potentiellt tilltalande elkälla. Fenomenet är reversibelt: om El appliceras på en termoelektrisk enhet kan den ge en temperaturskillnad. Idag används termoelektriska enheter för relativt låga effekttillämpningar, såsom att driva små sensorer längs oljeledningar, säkerhetskopiera batterier på rymdsonder och kyla minifridges.men forskare hoppas kunna designa mer kraftfulla termoelektriska enheter som kommer att skörda värmeproducerad som en biprodukt av industriella processer och förbränningsmotorer — och förvandla den annars bortkastade värmen till El. Effektiviteten hos termoelektriska anordningar, eller mängden energi de kan producera, är emellertid för närvarande begränsad.nu har forskare vid MIT upptäckt ett sätt att öka effektiviteten trefaldigt med hjälp av ”topologiska” material, som har unika elektroniska egenskaper. Medan tidigare arbete har föreslagit att topologiska material kan fungera som effektiva termoelektriska system, har det varit liten förståelse för hur elektroner i sådana topologiska material skulle resa som svar på temperaturskillnader för att producera en termoelektrisk effekt.
i ett papper som publicerades i veckan i Proceedings of the National Academy of Sciences identifierar MIT-forskarna den underliggande egenskapen som gör vissa topologiska material till ett potentiellt effektivare termoelektriskt material jämfört med befintliga enheter.
”Vi har funnit att vi kan driva gränserna för detta nanostrukturerade material på ett sätt som gör topologiska material till ett bra termoelektriskt material, mer än konventionella halvledare som kisel”, säger Te-Huan Liu, en postdoc i MIT: s avdelning för Maskinteknik. ”I slutändan kan detta vara ett rent energi sätt att hjälpa oss att använda en värmekälla för att generera el, vilket kommer att minska vår utsläpp av koldioxid.”
Liu är första författare till PNAS-papperet, som inkluderar doktorander Jiawei Zhou, Zhiwei Ding och Qichen Song; Mingda Li, biträdande professor vid Institutionen för kärnvetenskap och teknik; tidigare doktorand Bolin Liao, nu biträdande professor vid University of California i Santa Barbara; Liang Fu, Biedenharn docent i fysik; och Gang Chen, professor i Söderberg och chef för avdelningen för Maskinteknik.
en bana fritt reste
När ett termoelektriskt material utsätts för en temperaturgradient — till exempel upphettas ena änden, medan den andra kyls — elektroner i det materialet börjar strömma från den heta änden till den kalla änden, vilket genererar en elektrisk ström. Ju större temperaturskillnaden desto mer elektrisk ström produceras och desto mer kraft genereras. Mängden energi som kan genereras beror på elektronernas speciella transportegenskaper i ett givet material.
forskare har observerat att vissa topologiska material kan göras till effektiva termoelektriska enheter genom nanostrukturering, en teknik som forskare använder för att syntetisera ett material genom att mönstra dess egenskaper på nanometerns skala. Forskare har trott att topologiska materials termoelektriska fördel kommer från en minskad värmeledningsförmåga i sina nanostrukturer. Men det är oklart hur denna effektivitetsförbättring ansluter sig till materialets inneboende topologiska egenskaper.
För att försöka svara på denna fråga studerade Liu och hans kollegor den termoelektriska prestandan hos tenntellurid, ett topologiskt material som är känt för att vara ett bra termoelektriskt material. Elektronerna i tenntellurid uppvisar också speciella egenskaper som efterliknar en klass av topologiska material som kallas Dirac-material.teamet syftade till att förstå effekten av nanostrukturering på tenntellurids termoelektriska prestanda genom att simulera hur elektroner färdas genom materialet. För att karakterisera elektrontransport använder forskare ofta en mätning som kallas” Genomsnittlig fri väg ” eller det genomsnittliga avståndet som en elektron med en given energi fritt skulle resa inom ett material innan de sprids av olika föremål eller defekter i det materialet.
nanostrukturerade material liknar ett lapptäcke av små kristaller, var och en med gränser, kända som korngränser, som skiljer en kristall från en annan. När elektroner möter dessa gränser tenderar de att sprida sig på olika sätt. Elektroner med långa medelfria vägar kommer att sprida sig starkt, som kulor ricocheting av en vägg, medan elektroner med kortare medelfria vägar påverkas mycket mindre.
i sina simuleringar fann forskarna att tin Tellurides elektronegenskaper har en signifikant inverkan på deras genomsnittliga fria vägar. De ritade tenntellurides utbud av elektronenergier mot de tillhörande medelfria banorna och fann att den resulterande grafen såg väldigt annorlunda ut än de för de flesta konventionella halvledare. Specifikt för tenntellurid och eventuellt andra topologiska material tyder resultaten på att elektroner med högre energi har en kortare Genomsnittlig fri väg, medan elektroner med lägre energi vanligtvis har en längre genomsnittlig fri väg.teamet tittade sedan på hur dessa elektronegenskaper påverkar tenntellurids termoelektriska prestanda genom att i huvudsak sammanfatta de termoelektriska bidragen från elektroner med olika energier och medelfria vägar. Det visar sig att materialets förmåga att leda elektricitet, eller generera ett flöde av elektroner, under en temperaturgradient, är till stor del beroende av elektronenergin.
specifikt fann de att elektroner med lägre energi tenderar att ha en negativ inverkan på genereringen av en spänningsskillnad, och därför elektrisk ström. Dessa lågenergielektroner har också längre medelfria vägar, vilket innebär att de kan spridas av korngränser mer intensivt än elektroner med högre energi.
dimensionering ner
att gå ett steg längre i sina simuleringar spelade laget med storleken på tin Tellurides individuella korn för att se om detta hade någon effekt på flödet av elektroner under en temperaturgradient. De fann att när de minskade diametern på ett medelkorn till cirka 10 nanometer, vilket förde gränserna närmare varandra, observerade de ett ökat bidrag från elektroner med högre energi.
det vill säga med mindre kornstorlekar bidrar elektroner med högre energi mycket mer till materialets elektriska ledning än elektroner med lägre energi, eftersom de har kortare medelfria vägar och är mindre benägna att sprida sig mot korngränser. Detta resulterar i en större spänningsskillnad som kan genereras.dessutom fann forskarna att minskande tenntellurids genomsnittliga kornstorlek till cirka 10 nanometer producerade tre gånger den mängd el som materialet skulle ha producerat med större korn.
Liu säger att medan resultaten är baserade på simuleringar kan forskare uppnå liknande prestanda genom att syntetisera tenntellurid och andra topologiska material och justera deras kornstorlek med hjälp av en nanostruktureringsteknik. Andra forskare har föreslagit att krympning av ett materials kornstorlek kan öka dess termoelektriska prestanda, men Liu säger att de mest har antagit att den ideala storleken skulle vara mycket större än 10 nanometer.
”i våra simuleringar fann vi att vi kan krympa ett topologiskt materials kornstorlek mycket mer än tidigare trott, och baserat på detta koncept kan vi öka dess effektivitet”, säger Liu.
Tenntellurid är bara ett exempel på många topologiska material som ännu inte har undersökts. Om forskare kan bestämma den ideala kornstorleken för vart och ett av dessa material, säger Liu att topologiska material snart kan vara ett livskraftigt och effektivare alternativ till att producera ren energi.
”Jag tycker att topologiska material är mycket bra för termoelektriska material, och våra resultat visar att detta är ett mycket lovande material för framtida applikationer”, säger Liu.
denna forskning stöddes delvis av Solid State Solar Thermal Energy Conversion Center, ett Energy Frontier Research Center för US Department of Energy; och Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA).