Nanoteknikbaserade termoelektriska anordningar minskar slöseri med energi

Termoelektricitet är en extremt intressant källa till elektrisk kraft på grund av dess förmåga att omvandla värme till el, eller el till värme. Omvandlingsprocessen kallas Peltier-Seebeck-effekten. Termoelektriska anordningar är gjorda av material som kan omvandla en temperaturskillnad till el. Den är lätt skalbara och har inga rörliga delar eller flytande bränslen, vilket gör dem tillämpliga i nästan alla situationer där stora mängder värme tenderar att slänga, från kläder till stora industrianläggningar. Fenomenet fungerar även åt andra hållet, om elektricitet appliceras på en termoelektrisk enhet kan det ge en temperaturskillnad.

Peltier upptäcker att när strömmen sänds till två olika elektriska ledare som är anslutna vid två korsningar leder till uppvärmning av en korsning medan den andra klyftan svalnar. Peltier fortsatte att visa att en droppe vatten kan göras för att frysa vid en vismut-antimon (BiSb) korsning genom att bara vända strömmen. Peltier upptäckte också att elektrisk ström kan göras för att strömma när en temperaturskillnad placeras över en korsning av olika ledare.

Idag används termoelektriska anordningar för relativt låga strömtillämpningar, till exempel att driva små sensorer längs oljeledningar, säkerhetskopiering av batterier på rymdprober och kylning av minikylar.

Med kraftfullare termoelektriska anordningar kan man skörda värme som produceras som en biprodukt av industriella processer och förbränningsmotorer – och förvandla den värmen till till el. Effekten av termoelektriska anordningar, eller den mängd energi de kan producera, är för närvarande begränsad. Med nanotekniken kommer det dock att förändras att få fram topologiska material som har unika elektroniska egenskaper kan öka effektiva i termoelektriska system.

När ett termoelektriskt material exponeras för en temperaturgradient – till exempel en ände uppvärms, medan den andra kyls – börjar elektroner i det materialet att strömma från den heta änden till den kalla änden, vilket alstrar en elektrisk ström. Ju större temperaturskillnaden desto mer elström produceras, desto mer kraft genereras. Mängden energi som kan genereras beror på de specifika transportegenskaperna hos elektronerna i ett givet material.

Ett bra termoelektriskt material har dålig värmeledningsförmåga, men en mycket bra elektrisk ledningsförmåga. Vsmut tellurid (Bi 2 Te 3 ), bly tellurid (PbTe) och kisel germanium (SiGe) tenntetraurid (uppvisar även speciella egenskaper som efterliknar en klass av topologiska material som kallas Dirac-material) är material som används men dessa material har sällsynta element som gör dem mycket dyra.

Med nanoteknik kan man förändra materialets termisk ledningsförmågan sänkas utan att det påverkar de elektriska egenskaperna.  På så vis kan man hitta vägar för mer kostnadseffektiva lösningar.

Kolnanorör och grafen är intressanta termoelektriska material som uppvisar förbättrade termoelektriska egenskaper.

I sina simuleringar fann forskarna att tin-telluridens elektronkännetecken har en signifikant inverkan på deras genomsnittliga fria vägar. De plottade tin telluridens sortiment av elektronenergier mot de associerade medelfria banorna och fann att det resulterande diagramet såg väldigt annorlunda ut än de för de flesta konventionella halvledarna. Specifikt för tenntellurid och eventuellt andra topologiska material tyder resultaten på att elektroner med högre energi har en kortare medelfri väg, medan lägre energielektroner vanligtvis har en längre medelfri väg.

Det visar sig att materialets förmåga att leda elektricitet, eller generera ett flöde av elektroner, under en temperaturgradient, är i stor utsträckning beroende av elektronenergin. Lägre energielektroner tenderar att negativt påverka genereringen av en spänningsskillnad, och därför elektrisk ström. Dessa lågenergielektroner har också längre, genomsnittliga fria vägar, vilket innebär att de kan spridas av korngränserna mer intensivt än högre energielektroner.

Kommentera

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *