Тепло в электричество: Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары

Как добыть электричество из тепла без турбин: секрет термопары

Любой источник тепла можно превратить в источник электроэнергии – без паровых котлов, турбин и прочих громоздких сооружений.

Редакция сайта

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа», — поясняет Арунава Майумдар из Калифорнийского университета в Беркли.

Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС). Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности.

Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во-первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах.

На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.

Читайте также: «Электричество из водорослей», «Шумная энергия».

новый рекорд КПД термофотоэлектрического преобразования / Хабр

Проблема классических энергоносителей (уголь, газ, нефть), а точнее их конечного количества, уже не является сенсационной новостью. Многие годы ученые со всех уголков Земли ищут альтернативные источники энергии, разрабатывают методики и устройства для их использования и всячески стараются спасти наш вид от энергетического коллапса и экологической катастрофы. Столь популярная в наши дни зеленая энергия представляет собой источники этой самой энергии, запасы которых практически неистощаемы: солнце, ветер, волны, приливы/отливы и т. д. И если с поиском источника энергии, по сути, проблем нет (Солнце найти несложно), то вот вопрос максимально эффективного преобразования той или иной энергии в электрическую остается открытым. Ученые из Массачусетского технологического института (США) разработали новый тип двигателя без каких-либо движущихся частей, который преобразует энергию тепла в электричество. Из чего состоит новый двигатель, как именно он работает, и. самое главное, насколько он эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

В основе разработке лежит термофотовольтное (ТПВ или TPV от thermophotovoltaic) преобразование энергии, которое преобразует тепло в электричество за счет фотонов. Подробнее о принципе работы данной системы можно узнать тут. TPV позволяет накапливать и преобразовывать энергию от источников тепла с более высокой температурой, чем турбины, которые сегодня повсеместно используются в производстве электроэнергии.

Изображение №1

С момента первой демонстрации TPV с эффективностью в 29% (1a), где использовался встроенный отражатель на задней поверхности и вольфрамовый эмиттер при 2000 °C, характеристики последующих вариаций TPV становились лучше с каждым новым исследованием. Однако, несмотря на прогнозы о том, что эффективность TPV может превышать 50%, продемонстрированная эффективность по-прежнему составляет всего 32%, хотя и при гораздо более низких температурах (ниже 1300 °C).

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые демонстрируют новый тип TPV с эффективностью более 40%. TPV батареи представляют собой двухпереходные устройства, содержащие III-V материалы с шириной запрещенной зоны* от 1.0 до 1.4 эВ, оптимизированные для температур эмиттера (излучателя) в 1900–2400 °C.

Запрещенная зона* — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Ширина запрещенной зоны твердого тела определяет его как проводник, полупроводник или диэлектрик.

Столь высокий уровень эффективности стал возможен благодаря трем основным факторам:

• использование материалов с большей шириной запрещенной зоны в сочетании с температурой эмиттера от 1900 до 2400 °C;
• применение архитектуры с возможностью настройки ширины запрещенной зоны, обеспечиваемой метаморфической эпитаксией*;
• интеграция отражателя на задней поверхности (BSR от back surface reflector) с высокой отражающей способностью.

Эпитаксия* — закономерное нарастание одного кристаллического материала на другом при более низких температурах, т. е. ориентированный рост одного  кристалла на поверхности другого.

Батареи представляют собой тандемные устройства на 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ, оптимизированные для диапазона температур эмиттера 1900-2400 °C (изображение №1) для применения в системах хранения тепловой энергии (TEGS от thermal energy grid storage). TEGS — это недорогая технология хранения энергии в масштабе сети, в которой используются TPV для преобразования тепла в электричество при температуре выше 2000 °C, что является режимом, недоступным для турбин. По сути, это батарея, которая потребляет электричество, преобразует его в высокотемпературное тепло, сохраняет тепло, а затем по запросу преобразует его обратно в электричество с помощью TPV.

Варианты применения TPV: a — концептуальная иллюстрация TEGS, которая потребляет электричество, преобразует его в тепло посредством джоулевого нагрева, сохраняет тепло в изолированных графитовых блоках, а затем использует TPV для преобразования тепла в электричество. Также показана элементарная ячейка силового блока; b — диаграмма Санки, показывающая потоки энергии в системе TEGS в масштабе и с различными показателями эффективности; c — взаимосвязь между эффективностью подсистемы TPV и размером силового блока или отношением объема к площади поверхности; d — концептуальная иллюстрация системы производства электроэнергии на основе сжигания с использованием TPV.

Изначально задумывалось, что TEGS будет работать с использованием расплавленного кремниевого носителя, но графитовый носитель не хуже, при этом второй вариант намного дешевле ($ 0.5 за кг). Такая низкая стоимость позволяет TEGS соответствовать реальному рынку энергоносителей и конкурировать по стоимость с ископаемыми видами топлива.

Результаты исследования

Стоит отметить, что эффективность TPV батареи определяется иначе, чем у солнечной, так как, в отличие от второго, система TPV может сохранять, а затем преобразовывать энергию в субзонные фотоны. Это связано с тем, что в контекстах, в которых предполагается использовать TPV, батарея TPV имеет высокий коэффициент обзора для излучателя. Это означает, что субзонные фотоны могут отражаться обратно к излучателю TPV батареей (

1b). Отражая непреобразованные фотоны, энергия субзонного света сохраняется за счет повторного поглощения излучателем. Отраженный и затем повторно поглощенный свет помогает поддерживать излучатель в горячем состоянии, тем самым сводя к минимуму затраты энергии, необходимые для нагрева излучателя. В результате эффективность ячейки TPV определяется уравнением:

где P_out — электрическая мощность, генерируемая TPV батареей; V_oc — напряжение холостого хода, I_sc — ток короткого замыкания, а FF — коэффициент заполнения вольт-амперной кривой. Суммарное тепло, поглощаемое и выделяемое в батарее (Q_c) складывается из тепла, генерируемого за счет паразитного поглощения в полупроводнике или металлическом отражателе, термальных потерь из-за избыточной энергии падающих фотонов, джоулевых потерь на нагрев из-за протекания тока и нерадиационных рекомбинационных потерь. Суммарная энергия, полученная батареей, эквивалентна P

out + Q_c и может быть также выражена как P_inc — P_ref, где P_inc — падающая энергия, а P_ref — отраженная энергия.

Исходя из вышеописанного уравнения, для повышения эффективности TPV необходимо увеличить выходную мощность (P_out) и/или уменьшить количество поглощаемого и выделяемого в батарее тепла (Q_c).

Стоит также отметить, что высокие температуры эмиттера, предназначенные для TEGS и других приложений, позволяют использовать батареи с большей шириной запрещенной зоны (не менее 1.0 эВ) вместо батарей с малой шириной запрещенной зоны на основе InGaAs или GaSb, традиционно используемых для TPV. Этот фактор является ключевым, так как спектр света смещается в сторону более длинных волн по мере снижения температуры излучателя, поэтому традиционные элементы TPV, которые соединены с излучателями менее 1300 °C, обычно основаны на 0.74 эВ InGaAs или 0.73 эВ GaSb.

Схема тандемов 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ.

Что касается отражателя, то BSR с высокой отражательной способностью имеет решающее значение для минимизации Q_c. BSR с высокой отражающей способностью обеспечивают дополнительное преимущество повышения напряжения холостого хода, поскольку они также улучшают рециркуляцию люминесцентных фотонов, генерируемых излучательной рекомбинацией. Учитывая это, созданные батареи представляли собой двухпереходные конструкции на 1. 2/1.0 эВ и 1.4/1.2 эВ, предназначенные для применения в TEGS с температурой эмиттера от 1900 до 2400 °C. Батареи с несколькими переходами повышают эффективность по сравнению с одиночными переходами за счет снижения потерь термализации* горячих носителей и снижения резистивных потерь за счет работы при более низкой плотности тока.

Термализация* — процесс достижения физическими телами теплового равновесия посредством взаимодействия.

В первом варианте конструкции тандема использовались верхние и нижние контакты AlGaInAs 1.2 эВ и GaInAs 1.0 эВ со смещенными решетками, что связано с кристаллографической постоянной решетки подложки GaAs, на которой они выращены.

Во втором варианте конструкции тандема использовалась верхняя ячейка GaAs на 1.4 эВ с постоянной решеткой и нижняя ячейка GaInAs на 1.2 эВ со смещенной решеткой. Такая комбинация использует преимущество изначально более высоких показателей эпитаксии с согласованной решеткой в ​​ячейке GaAs (1c и 1d).

Тандем 1.2/1.0 эВ с меньшей шириной запрещенной зоны предлагает потенциал для более высокой плотности мощности, чем тандем 1.4/1.2 эВ, поскольку он преобразует более широкую полосу падающего спектра, и, следовательно, требования к BSR менее строгие для получения высокой эффективности. С другой стороны, хоть тандем 1.4/1.2 эВ и имеет меньшую выходную мощность, уменьшенная плотность тока обеспечивает более высокую эффективность, чем тандем 1.2/1.0 эВ, если возникают резистивные потери.

Изображение №2

На графике 2a показаны результаты измерения коэффициента отражения, а на 2b показана внутренняя квантовая эффективность протестированных тандемов 1.4/1.2 эВ и 1.2/1.0 эВ. Отражательная способность в случае абсолютно черного тела при 2150 °C составила 93.0% для тандема 1.4/1.2 эВ и 93.1% для тандема 1.2/1.0 эВ.

На 2c и 2d показаны результаты измерений плотности тока в зависимости от напряжения, которые проводились под вольфрамовым галогенным эмиттером с температурным диапазоном от 1900 до 2400 °C. Как и предполагали ученые, тандем 1.2/1.0 эВ имел более низкое напряжение, но более высокую плотность тока, чем тандем 1.4/1.2 эВ.

Изображение №3

На графике 3a показано измерение эффективности (КПД) в том же диапазоне температур эмиттера, которое было выполнено при одновременном измерении Q_c и P_out.

Результаты для тандема 1.4/1.2 эВ показали увеличение эффективности с увеличением температуры эмиттера. Эффективность превысила 40% при 2350 °C, что находится в пределах целевого диапазона 1900–2400 °C, необходимого для применения в TEGS. При 2400 °C эффективность достигала 41.1 ± 1%. В среднем по температурному диапазону (от 1900 до 2400 °C) КПД составляло 36.2%. Плотность электрической мощности составила 2.39 Вт/см² при максимальной температуре эмиттера 2400 °С.

Результаты для тандема 1.2/1.0 эВ показали большую эффективность, чем для тандема 1.4/1.2 эВ, при более низких температурах эмиттера из-за меньшей ширины запрещенной зоны. КПД тандема 1.2/1.0 эВ достигало максимума в 39.3 ± 1% при 2127 °C. Среднее значение КПД в диапазоне температур 1900…2300 °C составило 38.2 %. Важно отметить, что этот показатель практически не менялся даже при колебаниях температуры в пределах 400 градусов. Эта особенность крайне важна для TEGS, так как указывает на возможность достижения неизменно высокой эффективности, даже если температура эмиттера будет меняться в процессе разрядки системы TEGS.

Плотность электрической мощности составила 2.42 Вт/см² при максимальной измеренной температуре эмиттера 2279 °С и 1.81 Вт/см² в точке максимального КПД при температуре эмиттера 2127 °С.

КПД тандема 1.2/1.0 эВ менее чувствителен к изменению температуры эмиттера, имеет более высокую удельную электрическую мощность при заданной температуре. Однако тандем 1.4/1.2 эВ может достигать более высокой эффективности при самых высоких температурах эмиттера.

На 3a также прогнозы моделирования эффективности при различных условиях. Было получено хорошее соответствие моделируемых и экспериментальных данных, что указывает на возможность расширения модели для экстраполяции того, как производительность изменится при дополнительных улучшениях или при других условиях эксплуатации. К примеру, одним из важнейших свойств TPV, которое можно было бы улучшить, является отражательная способность (R_sub). На 3b показано как менялась бы эффективность, если бы R_sub было увеличено. Если R_sub равно 97%, то при температуре эмиттера тандем 1.4/1.2 эВ мог бы выдать КПД выше 50%.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

Термофотоэлектрические (TPV) элементы, использованные учеными в рассмотренной нами сегодня разработке, ранее выдавали эффективность на уровне примерно 20 % с рекордным значением в 32 %. Однако ученым удалось увеличить этот показатель до 40 %.

Достигнуто это было за счет применения необычной слоистой структуры: сплав с высокой шириной запрещенной зоны, затем сплав с меньшей шириной запрещенной зоны и зеркальный слой золота под ним. Первый слой улавливает фотоны с самой высокой энергией, исходящие от источника тепла (эмиттера), а фотоны с меньшей энергией проходят сквозь него и захватываются вторым слоем. Фотоны, которые проходят и через второй слой, отражаются обратно к источнику тепла, тем самым обеспечивается минимизация потерь.

Подобное устройство лишено каких-либо движущихся частей, зато обеспечивает высокую степень преобразования тепловой энергии в электрическую. По мнению ученых, их творение имеет шанс стать еще более эффективным, если получится увеличить один из самых важных параметров, а именно отражательную способность.

Такого рода разработки, как отмечают авторы, являются не только производительными и эффективными с точки зрения добычи энергии, но и полностью экологически чистыми на протяжении всего рабочего цикла. Если переориентировать современную добычу электроэнергии на такие установки, то выбросы углекислого газа можно сократить на 40%.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас:Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Новое устройство превращает отработанное тепло в электричество

Новое гибкое термоэлектрическое устройство может оборачиваться вокруг труб и других горячих поверхностей и преобразовывать отработанное тепло в электроэнергию. | Источник фото Penn State

• Инновации
• Сельское хозяйство и энергетика

• Новое устройство превращает отработанное тепло в электричество

Гибкий термоэлектрический генератор можно обернуть вокруг труб и других горячих поверхностей

Замечено: Исследователи из Университета штата Пенсильвания (штат Пенсильвания) и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии изучают способы улучшения термоэлектрических генераторов.

Термоэлектрические генераторы, также известные как генераторы Зеебека, представляют собой устройства, которые могут преобразовывать колебания температуры в электричество. Исследовательская группа разработала гибкий генератор, который можно обернуть вокруг горячих поверхностей, таких как трубы, преобразуя тепло, которое в противном случае было бы потрачено впустую, в электричество.

«Подумайте о промышленной электростанции с трубами длиной в сотни футов», — объясняет Шашанк Прия, заместитель вице-президента по исследованиям и профессор материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания. «Если вы сможете обернуть эти устройства вокруг такой большой площади, вы сможете генерировать киловатты энергии из потраченного впустую тепла, которое обычно просто выбрасывается. Вы могли бы превратить сбрасываемое тепло во что-то полезное».

Испытание, проведенное на газоходе, показало, что новое устройство имеет удельную мощность на 150% выше, чем другие современные устройства. После этого первоначального теста увеличенная версия сохранила преимущество в плотности мощности на 115% и произвела 56,6 Вт при размещении на горячей поверхности.

Другие недавние инновации, которые исследуют новые способы производства электроэнергии, включают устройство, которое превращает вибрации от движения в электричество, и намагничиваемый дорожный бетон для зарядки электричества.

Автор: Катрина Лейн

15 февраля 2022 г.

Электронная почта: [email protected]

Веб-сайт: ems.psu.edu

Скачать PDF

Вынос:

Потенциальные области применения термоэлектрических генераторов уже безграничны. Их можно использовать на электростанциях для преобразования сбрасываемого тепла в дополнительную электроэнергию и в автомобилях для повышения эффективности использования топлива. Однако гибкость нового устройства делает их гораздо более применимыми. Разработки, сделанные исследователями из Penn State, могут повысить эффективность множества устройств и, в свою очередь, помочь сократить выбросы углерода и уменьшить счета за электроэнергию во всем мире

Сельское хозяйство и энергетика

Студент университета разрабатывает источник кинетической энергии для сельских населенных пунктов

Мобильность и транспорт

Партнерство по испытанию намагничиваемого дорожного бетона для зарядки электромобилей

Сельское хозяйство и энергетика

Тротуарная плитка вырабатывает электроэнергию от пешеходов

Другие инновации

Превращение тепла в электричество | Новости Массачусетского технологического института

Что, если бы ваш кондиционер работал не на обычном электричестве, а на солнечном тепле в теплый летний день? Благодаря достижениям в области термоэлектрических технологий это устойчивое решение может однажды стать реальностью.

Термоэлектрические устройства сделаны из материалов, которые могут преобразовывать разницу температур в электричество, не требуя никаких движущихся частей — качество, которое делает термоэлектрики потенциально привлекательным источником электричества. Это явление обратимо: если к термоэлектрическому устройству подать электричество, оно может создать разницу температур. Сегодня термоэлектрические устройства используются для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как питание небольших датчиков вдоль нефтепроводов, резервные батареи на космических зондах и охлаждение мини-холодильников.

Но ученые надеются разработать более мощные термоэлектрические устройства, которые будут улавливать тепло, производимое в качестве побочного продукта промышленных процессов и двигателей внутреннего сгорания, и превращать это тепло впустую в электричество. Однако эффективность термоэлектрических устройств или количество энергии, которое они могут производить, в настоящее время ограничены.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института обнаружили способ увеличить эту эффективность в три раза, используя «топологические» материалы, обладающие уникальными электронными свойствами. В то время как в предыдущих работах предполагалось, что топологические материалы могут служить эффективными термоэлектрическими системами, было мало понимания того, как электроны в таких топологических материалах будут перемещаться в ответ на разницу температур, чтобы вызвать термоэлектрический эффект.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , исследователи Массачусетского технологического института определяют основное свойство, которое делает некоторые топологические материалы потенциально более эффективными термоэлектрическими материалами по сравнению с существующими устройствами.

«Мы обнаружили, что можем раздвинуть границы этого наноструктурного материала таким образом, что топологические материалы станут хорошим термоэлектрическим материалом, в большей степени, чем обычные полупроводники, такие как кремний», — говорит Те-Хуан Лю, постдоктор кафедры механики Массачусетского технологического института. Инжиниринг. «В конце концов, это может быть способ чистой энергии, который поможет нам использовать источник тепла для выработки электроэнергии, что уменьшит выброс углекислого газа».

Лю является первым автором статьи PNAS , в которой участвуют аспиранты Цзявэй Чжоу, Чживэй Дин и Цичень Сун; Мингда Ли, доцент кафедры ядерной науки и техники; бывший аспирант Болин Ляо, ныне доцент Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Лян Фу, адъюнкт-профессор физики Биденхарна; и Ган Чен, профессор Содерберга и заведующий кафедрой машиностроения.

Свободно пройденный путь

Когда термоэлектрический материал подвергается воздействию градиента температуры, например, один конец нагревается, а другой охлаждается, электроны в этом материале начинают течь от горячего конца к холодному, генерируя электрический ток. Чем больше разница температур, тем больше вырабатывается электрического тока и тем больше вырабатывается энергии. Количество энергии, которое может быть генерировано, зависит от конкретных транспортных свойств электронов в данном материале.

Ученые заметили, что некоторые топологические материалы могут быть превращены в эффективные термоэлектрические устройства с помощью наноструктурирования, метода, который ученые используют для синтеза материала путем формирования его характеристик в масштабе нанометров. Ученые считают, что термоэлектрическое преимущество топологических материалов связано с пониженной теплопроводностью их наноструктур. Но неясно, как это повышение эффективности связано с присущими материалу топологическими свойствами.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, Лю и его коллеги изучили термоэлектрические характеристики теллурида олова, топологического материала, который, как известно, является хорошим термоэлектрическим материалом. Электроны в теллуриде олова также обладают особыми свойствами, которые имитируют класс топологических материалов, известных как материалы Дирака.

Команда исследователей стремилась понять влияние наноструктурирования на термоэлектрические характеристики теллурида олова, моделируя движение электронов через материал. Чтобы охарактеризовать перенос электронов, ученые часто используют измерение, называемое «средний свободный пробег», или среднее расстояние, которое электрон с данной энергией мог бы свободно пройти в материале, прежде чем он был бы рассеян различными объектами или дефектами в этом материале.

Наноструктурированные материалы напоминают лоскутное одеяло из крошечных кристаллов, каждый из которых имеет границы, известные как границы зерен, которые отделяют один кристалл от другого. Когда электроны сталкиваются с этими границами, они имеют тенденцию рассеиваться различными путями. Электроны с длинной длиной свободного пробега будут сильно рассеиваться, как пули, рикошетящие от стены, в то время как электроны с более короткой длиной свободного пробега подвержены гораздо меньшему воздействию.

В ходе моделирования исследователи обнаружили, что характеристики электронов теллурида олова оказывают значительное влияние на их длину свободного пробега. Они нанесли на график диапазон энергий электронов теллурида олова в зависимости от соответствующей длины свободного пробега и обнаружили, что полученный график сильно отличается от графиков для большинства обычных полупроводников. В частности, для теллурида олова и, возможно, других топологических материалов результаты показывают, что электроны с более высокой энергией имеют более короткую длину свободного пробега, в то время как электроны с более низкой энергией обычно имеют более длинную длину свободного пробега.

Затем команда изучила, как эти свойства электронов влияют на термоэлектрические характеристики теллурида олова, путем суммирования термоэлектрических вкладов электронов с разными энергиями и длинами свободного пробега. Оказывается, способность материала проводить электричество или генерировать поток электронов в условиях температурного градиента во многом зависит от энергии электронов.

В частности, они обнаружили, что электроны с более низкой энергией имеют тенденцию оказывать негативное влияние на генерацию разности потенциалов и, следовательно, электрического тока. Эти электроны с низкой энергией также имеют большую длину свободного пробега, а это означает, что они могут рассеиваться границами зерен более интенсивно, чем электроны с более высокой энергией.

Уменьшение размеров

Сделав еще один шаг вперед в моделировании, команда поэкспериментировала с размером отдельных зерен теллурида олова, чтобы выяснить, влияет ли это на поток электронов при температурном градиенте. Они обнаружили, что когда они уменьшали диаметр среднего зерна примерно до 10 нанометров, сближая его границы, они наблюдали повышенный вклад электронов с более высокой энергией.

То есть при меньших размерах зерен электроны с более высокой энергией вносят гораздо больший вклад в электрическую проводимость материала, чем электроны с более низкой энергией, поскольку они имеют более короткую длину свободного пробега и с меньшей вероятностью рассеиваются на границах зерен. Это приводит к большей разности напряжений, которая может быть сгенерирована.

Более того, исследователи обнаружили, что уменьшение среднего размера зерна теллурида олова примерно до 10 нанометров дает в три раза больше электричества, чем материал, произведенный с более крупными зернами.

Лю говорит, что, хотя результаты основаны на моделировании, исследователи могут добиться аналогичных результатов, синтезируя теллурид олова и другие топологические материалы и регулируя размер их зерен с помощью метода наноструктурирования. Другие исследователи предположили, что уменьшение размера зерна материала может повысить его термоэлектрические характеристики, но Лю говорит, что они в основном предполагали, что идеальный размер должен быть намного больше 10 нанометров.

«В ходе нашего моделирования мы обнаружили, что можем уменьшить размер зерна топологического материала намного больше, чем считалось ранее, и, основываясь на этой концепции, мы можем повысить его эффективность», — говорит Лю.

Теллурид олова — всего лишь один из многих топологических материалов, которые еще предстоит изучить. По словам Лю, если исследователи смогут определить идеальный размер зерна для каждого из этих материалов, топологические материалы вскоре могут стать жизнеспособной и более эффективной альтернативой производству чистой энергии.

«Я думаю, что топологические материалы очень хороши для термоэлектрических материалов, и наши результаты показывают, что это очень многообещающий материал для будущих применений», — говорит Лю.

Это исследование было частично поддержано Твердотельным центром преобразования солнечной тепловой энергии, Исследовательским центром Energy Frontier Министерства энергетики США; и Агентство перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA).

Поделитесь этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Boston Globe

Исследователи Массачусетского технологического института усовершенствовали аккумуляторы с жидким натрием, потенциально проложив путь к использованию аккумуляторов для хранения возобновляемой энергии, сообщает Laney Ruckstuhl для Бостон глобус . «В отличие от литий-ионных аккумуляторов, используемых в мобильных телефонах и ноутбуках, аккумуляторы с жидким натрием не потеряют свою емкость быстро».

Полная история через Boston Globe →

Связанные ссылки

• Gang Chen
• Liang Fu
• Mingda Li
• Департамент машиностроения
• Департамент физики
• Департамент по ядерной науке и инженерной инженерии
• .