Kätevää termoelektristen materiaalien valmistusta

Korean kemiantekniikan tutkimuslaitoksen (KRICT) tohtori Young Hun Kangin johtama tutkimusryhmä on kehittänyt ympäristöystävällisen ja tehokkaan hopeaselenidiin (Ag₂Se) perustuvan termoelektrisen materiaalin, jota valmistetaan huomattavasti miedoimmissa lämpötila- ja paineolosuhteissa kuin perinteisillä menetelmillä.

Termoelektriset materiaalit toimivat kahden pääperiaatteen mukaisesti: Peltier-ilmiön, jossa sähkövirta aiheuttaa lämpenemistä tai jäähtymistä, ja Seebeck-ilmiön, jossa sähköä syntyy lämpötilagradientista.

Tällä hetkellä yleisimmin käytetyt kaupalliset termoelektriset materiaalit perustuvat vismuttitelluridiin (Bi₂Te₃). Nämä materiaalit perustuvat kuitenkin harvinaisiin alkuaineisiin, kuten telluuriin, jotka kärsivät hintavaihteluista ja ympäristöongelmista. Lisäksi niiden valmistukseen liittyy tyypillisesti monimutkaisia seostamisprosesseja korkean suorituskyvyn saavuttamiseksi.

Näiden rajoitusten ratkaisemiseksi tutkimusryhmä käytti hopeaselenidia (Ag₂Se), materiaalia, joka koostuu suhteellisen runsaista alkuaineista (Ag ja Se) ja tarjoaa yksinkertaisemman ja ympäristöystävällisemmän vaihtoehdon.

Kuten tutkimuksessa raportoitiin, optimoitu Ag₂Se₁.₂-materiaali saavutti maksimiarvonsa (zT) 0,927 noin 120 °C lämpötilassa, mikä lähestyi kaupallisten Bi₂Te₃-pohjaisten materiaalien suorituskykyä.

Lisäksi materiaali paransi puristuslujuuttaan ja Youngin moduuliaan yli kaksinkertaisesti, mikä mahdollisti vankan mekaanisen suorituskyvyn ja soveltuvuuden monimutkaisiin tai kaareviin laitegeometrioihin.

Merkittävää on, että kehitetty prosessi mahdollistaa tiheiden massarakenteiden muodostamisen yksinkertaisella hehkutuksella noin 350 °C:ssa ympäristön paineessa, mikä poistaa tarpeen perinteisille korkean lämpötilan (~1000 °C) tai korkean paineen (satoja MPa) sintrausprosesseille. Tämä edustaa merkittävää edistysaskelta prosessin yksinkertaistamisessa ja kustannusten alentamisessa.

Tämän teknologian odotetaan soveltuvan pienimuotoisiin sähköntuotantojärjestelmiin, jotka muuntavat lämpöä sähköksi teollisissa prosesseissa, datakeskuksissa ja aurinkolämpöjärjestelmissä. Pitkällä aikavälillä sillä on myös lupaava potentiaali puettavien IoT-laitteiden ja terveydenhuollon antureiden virtalähteenä.

Aiheesta aiemmin:

Nanotason jäähdytystä ionivirtauksella

Nanomittakaavan lämpösähköisistä ilmiöistä

Nanoteknistä lämpösähköä kiinteän olomuodon jäähdytyksen