Materiały termoelektryczne mogą odegrać ważną rolę w przejściu na czystą energię, ponieważ mogą wytwarzać energię elektryczną ze źródeł ciepła, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana, bez wytwarzania dodatkowych gazów cieplarnianych lub konieczności dużych inwestycji początkowych. Jednak ich obietnice zostały spowolnione przez fakt, że większość obecnych materiałów termoelektrycznych nie wytwarza w sposób wydajny energii wystarczającej do wielu praktycznych zastosowań.
Poszukiwanie nowych, bardziej wydajnych materiałów o złożonym składzie chemicznym było pracochłonne, wymagało eksperymentalnych testów każdego proponowanego nowego składu wielomateriałowego i często wiązało się z użyciem toksycznych lub rzadkich pierwiastków. W artykule opublikowanym w czwartek, 16 maja w czasopiśmie Science, naukowcy z uniwersytetów w Houston i Rice University przedstawiają nowe podejście do przewidywania realizacji zbieżności pasm w szeregu materiałów i po zademonstrowaniu tak zaprojektowanego materiału, związek Zintla typu p, zapewniający wysoce wydajne działanie termoelektryczne, wytworzył moduł termoelektryczny. Odnotowali sprawność konwersji ciepła na energię elektryczną przekraczającą 10% przy różnicy temperatur wynoszącej 475 kelwinów, czyli około 855 stopni Fahrenheita.
Zhifeng Ren, dyrektor Texas Center for Nadconductivity na UH (TcSUH) i autor korespondujący z artykułem, powiedział, że właściwości materiałów pozostają stabilne przez ponad dwa lata.
Chociaż do poprawy wydajności stosowano różne podejścia, zwrócono uwagę na koncepcję znaną jako zbieżność pasm elektronicznych ze względu na jej potencjał poprawy wydajności termoelektrycznej. „Zwykle trudno jest uzyskać wysoką wydajność materiałów termoelektrycznych, ponieważ nie wszystkie pasma elektroniczne w materiale przyczyniają się do tego” – powiedział Ren. „Jeszcze trudniej jest stworzyć złożony materiał, w którym wszystkie zespoły pracują jednocześnie, aby uzyskać jak najlepszy występ”.
W tej pracy, powiedział, naukowcy skupili się najpierw na opracowaniu obliczeń pozwalających określić, w jaki sposób zbudować materiał, w którym wszystkie różne pasma energii mogą mieć wpływ na ogólną wydajność. Następnie wykazali, że obliczenia sprawdziły się w praktyce i teorii, budując moduł w celu dalszej weryfikacji uzyskanej wysokiej wydajności na poziomie urządzenia.
Zbieżność pasm jest uważana za dobre podejście do ulepszania materiałów termoelektrycznych, ponieważ zwiększa współczynnik mocy termoelektrycznej, który jest powiązany z rzeczywistą mocą wyjściową modułu termoelektrycznego. Jednak do tej pory odkrywanie nowych materiałów o dużej zbieżności pasm było czasochłonne i skutkowało wieloma falstartami. „Standardowe podejście polega na próbach i błędach” – powiedział Ren, który jest także kierownikiem katedry fizyki materii skondensowanej Paula CW Chu i May P. Chern na UH. „Zamiast przeprowadzać wiele eksperymentów, ta metoda pozwala nam wyeliminować niepotrzebne możliwości, które nie dadzą lepszych wyników”.
Aby skutecznie przewidzieć, jak stworzyć najbardziej efektywny materiał, badacze wykorzystali stop Zintla o wysokiej entropii, YbxCa1-xMgyZn2-ySb2, jako studium przypadku, projektując serię kompozycji, dzięki którym uzyskano zbieżność pasm jednocześnie we wszystkich kompozycjach.
Ren opisał, jak to działa w następujący sposób: Jeśli zespół składający się z 10 osób próbuje podnieść przedmiot, wyżsi członkowie poniosą większość ciężaru, podczas gdy niżsi nie wnoszą tak dużego wkładu. Celem konwergencji zespołów jest uczynienie wszystkich członków zespołu bardziej podobnymi – w tym przykładzie wysocy członkowie zespołu byliby niżsi, a niscy członkowie wyżsi – aby wszyscy mogli przyczynić się do dźwigania ogólnego obciążenia.
W tym przypadku badacze rozpoczęli od czterech związków macierzystych zawierających łącznie pięć pierwiastków – iterbu, wapnia, magnezu, cynku i antymonu – wykonując obliczenia, aby określić, które kombinacje związków macierzystych mogą osiągnąć zbieżność pasm. Po ustaleniu tego wybrali najlepszą spośród tych wysokowydajnych kompozycji do skonstruowania urządzenia termoelektrycznego.
„Bez tej metody trzeba by eksperymentować i wypróbowywać wszystkie możliwości” – powiedział Xin Shi, absolwent UH w grupie Rena i główny autor artykułu. „Nie można tego zrobić inaczej. Teraz najpierw wykonujemy obliczenia, projektujemy materiał, a następnie wykonujemy go i testujemy”.
Metodę obliczeniową można zastosować również w przypadku innych materiałów wieloskładnikowych, co umożliwi badaczom wykorzystanie tego podejścia do tworzenia nowych materiałów termoelektrycznych. Po zidentyfikowaniu odpowiednich związków macierzystych obliczenia określają, jaki stosunek każdego z nich należy zastosować w końcowym stopie.
Oprócz Rena i Shi autorami artykułu są dr Shaowei Song, badacz z Texas Center for Superconductivity oraz dr Guanhui Gao z Wydziału Nauki o Materiałach i Nanoinżynierii w Rice. Gao jest teraz w UH.