Termoelektryki umożliwiają bezpośrednią konwersję ciepła na energię elektryczną – i odwrotnie. To czyni je interesującymi dla szeregu zastosowań technologicznych. W poszukiwaniu materiałów termoelektrycznych o możliwie najlepszych właściwościach zespół badawczy TU Wien badał różne stopy metali. Szczególnie obiecująca okazała się mieszanina niklu i złota. Naukowcy opublikowali niedawno swoje wyniki w czasopiśmie Science Advances.
Wykorzystanie termoelektryków do wytwarzania energii elektrycznej nie jest niczym nowym. Od połowy XX wieku używano ich do wytwarzania energii elektrycznej podczas eksploracji kosmosu, ale termoelektryki wykorzystuje się także w zastosowaniach codziennego użytku, np. w przenośnych lodówkach. Co więcej, można je również wykorzystać w środowiskach przemysłowych do przekształcania ciepła odpadowego w ekologiczną energię elektryczną, by wymienić tylko jedno z potencjalnych zastosowań.
Jak działa termoelektryczność
Efekt termoelektryczny opiera się na ruchu naładowanych cząstek, które migrują z cieplejszej do zimniejszej strony materiału. W rezultacie powstaje napięcie elektryczne – tak zwane napięcie termoelektryczne – które przeciwdziała wzbudzonemu termicznie ruchowi nośników ładunku. Stosunek wytworzonego napięcia termoelektrycznego do różnicy temperatur określa współczynnik Seebecka, nazwany na cześć niemieckiego fizyka Thomasa Johanna Seebecka, który jest ważnym parametrem określającym właściwości termoelektryczne materiału. Ważnym wymaganiem jest tutaj brak równowagi między ładunkami dodatnimi i ujemnymi, ponieważ wzajemnie się one kompensują.
„Chociaż Seebeck odkrył efekt termoelektryczny w metalach nieszlachetnych ponad 200 lat temu, obecnie metale prawie nie są uważane za materiały termoelektryczne, ponieważ zwykle mają bardzo niski współczynnik Seebecka” – wyjaśnia Fabian Garmroudi, pierwszy autor badania. Z jednej strony metale takie jak miedź, srebro czy złoto mają wyjątkowo wysoką przewodność elektryczną; z drugiej strony ich współczynnik Seebecka jest w większości przypadków znikomo mały.
Stopy niklu i złota o wyjątkowych właściwościach
Fizykom z Instytutu Fizyki Ciała Stałego (TU Wien) udało się znaleźć stopy metali o wysokiej przewodności i wyjątkowo dużym współczynniku Seebecka. Mieszanie magnetycznego niklu ze złotem metalu szlachetnego radykalnie zmienia właściwości elektroniczne. Gdy tylko żółtawy kolor złota zniknie po dodaniu około 10% niklu, wydajność termoelektryczna gwałtownie wzrasta. Fizyczne pochodzenie wzmocnionego efektu Seebecka jest zakorzenione w zależnym od energii zachowaniu elektronów w zakresie rozpraszania – efekcie zasadniczo różniącym się od półprzewodnikowych termoelektryków. Ze względu na szczególne właściwości elektroniczne atomów niklu, ładunki dodatnie są rozpraszane silniej niż ładunki ujemne, co powoduje pożądaną nierównowagę, a tym samym wysokie napięcie termoelektryczne.
„Wyobraźmy sobie wyścig dwóch biegaczy, w którym jedna osoba biegnie po wolnym torze, a druga musi pokonać wiele przeszkód. Oczywiście osoba na wolnym torze posuwa się szybciej niż przeciwnik, który musi zwolnić i przesiąść się kierunku znacznie częściej” – porównuje Andrej Pustogow, starszy autor badań dotyczących przepływu elektronów w metalicznych termoelektrykach. W badanych stopach ładunki dodatnie są silnie rozpraszane przez elektrony niklu, natomiast ładunki ujemne mogą przemieszczać się praktycznie bez zakłóceń.
Rekordowy materiał
Połączenie wyjątkowo wysokiej przewodności elektrycznej i jednocześnie wysokiego współczynnika Seebecka prowadzi do rekordowych wartości termoelektrycznych współczynników mocy w stopach niklu i złota, które znacznie przekraczają wartości dla konwencjonalnych półprzewodników. „Przy tej samej geometrii i stałym gradiencie temperatury można wygenerować wielokrotnie więcej energii elektrycznej niż w przypadku jakiegokolwiek innego znanego materiału” – wyjaśnia Fabian Garmroudi. Ponadto wysoka gęstość mocy może w przyszłości umożliwić codzienne zastosowania w sektorze na dużą skalę. „Już przy obecnej wydajności na przykład smartwatche można już ładować autonomicznie, wykorzystując ciepło ciała użytkownika” – jako przykład podaje Andrej Pustogow.
Złoto niklowe to dopiero początek
„Mimo że złoto jest drogim pierwiastkiem, nasza praca stanowi weryfikację koncepcji. Udało nam się wykazać, że nie tylko półprzewodniki, ale także metale mogą wykazywać dobre właściwości termoelektryczne, co czyni je przydatnymi w różnorodnych zastosowaniach. Stopy metali mają różne zalety w porównaniu z półprzewodnikami , zwłaszcza w procesie produkcyjnym generatora termoelektrycznego” – wyjaśnia Michael Parzer, jeden z głównych autorów badania.
To, że naukowcom udało się eksperymentalnie wykazać, że stopy niklu i złota są wyjątkowo dobrymi termoelektrykami, nie jest przypadkiem. „Jeszcze przed rozpoczęciem prac eksperymentalnych obliczyliśmy na podstawie modeli teoretycznych, które stopy będą najbardziej odpowiednie” – ujawnia Michael Parzer. Obecnie grupa bada także innych obiecujących kandydatów, które nie wymagają drogiego złota pierwiastkowego.