Poprawa efektywności termoelektrycznej materiałów nanostrukturalnych
Ciepło odpadowe wytwarzane jest wszędzie, gdziekolwiek wykonywana jest jakakolwiek praca: przez urządzenia pracujące w naszych domach, nasze samochody, pociągi i autobusy, fabryki czy elektrownie, i można przekształcić je w użyteczną energię elektryczną przy wykorzystaniu materiałów termoelektrycznych. Materiały takie powinny charakteryzować się wysoką przewodnością elektryczną i niską przewodnością cieplną. Jednak materiały termoelektryczne mają zazwyczaj niską skuteczność. Od 2016 roku naukowcy, korzystający w ramach projektu NANOthermMA ze wsparcia UE, prowadzą badania nad tym, jak poddawać materiały nanostrukturyzacji, aby poprawić ich sprawność termoelektryczną. Sprawność tę określa się współczynnikiem dobroci ZT. ZT jest funkcją przewodności cieplnej, przewodności elektrycznej, temperatury bezwzględnej i współczynnika Seebecka, który określa napięcie indukowane w odpowiedzi na różnicę temperatur w materiale termoelektrycznym. Wartość współczynnika ZT dla materiału o wysokiej sprawności termoelektrycznej, niskiej przewodności cieplnej i wysokiej przewodności elektrycznej będzie duża. Nanostrukturyzacja pozwoliła już na znaczne obniżenie przewodności cieplnej, dlatego dalsze prace muszą skupić się na zwiększeniu przewodności elektrycznej i utrzymaniu współczynnika Seebecka na wysokim poziomie. Problem w tym, że te dwie wielkości są do siebie odwrotnie proporcjonalne – każdy wysiłek włożony w zwiększenie jednej z nich skutkuje zmniejszeniem drugiej. Dlatego w ramach projektu NANOthermMA naukowcy badają, jak poddawać nanostrukturyzacji materiały, które – jak czytamy w artykule zamieszczonym na stronie „Open Access Government” – „osłabiają niekorzystną współzależność” pomiędzy przewodnictwem elektrycznym a współczynnikiem Seebecka. „Przeprowadzając serię intensywnych symulacji numerycznych z wykorzystaniem zaawansowanego oprogramowania opracowanego w ramach projektu NANOthermMA, zespół wykazał teoretyczną możliwość rozwiązania niekorzystnej współzależności tych parametrów przy użyciu nanoinżynierii, a nawet osiągnięcia dwudziestokrotnego wzrostu współczynnika mocy, który jest iloczynem przewodności elektrycznej i kwadratu współczynnika Seebecka, wielkości bezpośrednio wpływającej na współczynnik ZT”, pisze w artykule prof. Neophytos Neophytou z koordynującego projekt Uniwersytetu w Warwick.
Geometria materiałów nanostrukturalnych
Rozwiązanie zaproponowane przez zespół badawczy polega na zastosowaniu elementów nanostrukturalnych, takich jak nanoziarna i granice ziarna. „Do określonych regionów w obrębie tej geometrii wprowadza się dodatkowy rodzaj atomów domieszkujących, czyli będących zanieczyszczeniami, które zwiększają przewodnictwo elektryczne materiału. Poprzez staranne zaprojektowanie rozmiarów domen, charakteru granic i rozmieszczenia domieszek można doprowadzić do tego, że o przewodnictwie elektrycznym decydować będą w głównej mierze nanodomeny, natomiast o współczynniku Seebecka – granice, a oba te parametry będzie można dostrajać niezależnie od siebie”, wyjaśnia prof. Neophytou. Projektowanie materiałów nanostrukturalnych można usprawnić jeszcze bardziej , stosując nanostrukturyzację hierarchiczną, w ramach której wewnątrz nanodomen umieszczane są nanoinkluzje. Pomaga to jeszcze bardziej zmniejszyć przewodnictwo cieplne i zapewnia dodatkową korzyść w postaci niezależnej poprawy współczynnika Seebecka. Zespół projektu NANOthermMA (Advanced Simulation Design of Nanostructured Thermoelectric Materials with Enhanced Power Factors) zbada, czy teorię tę można zastosować w praktyce. Jeśli tak, umożliwi to tworzenie materiałów termoelektrycznych o wysokich wartościach ZT, a ostatecznie także o większej sprawności. Więcej informacji: strona projektu NANOthermMA
Słowa kluczowe
NANOthermMA, przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne, współczynnik Seebecka, termoelektryczne, nanostrukturalne
