Piitä lämpösähköiseen hukkaenergian muuntamiseen

POSTECHin professori Chang-Ki Baekin johtama tutkimusryhmä sekä tohtoriopiskelija Ki Yeong Kim ovat tunnistaneet mekanismin, joka voisi auttaa voittamaan termoelektristen laitteiden hyötysuhderajoitukset.

Termoelektriset laitteet tuottavat sähköä hyödyntämällä lämpötilaeroja.

Ongelma on materiaaleissa. Tärkeimmät termoelektriset materiaalit perustuvat yleensä harvinaisiin metalleihin, kuten vismuttiin (Bi) ja telluuriin (Te). Toisaalta piitä on maapallolla runsaasti, ja se on erittäin yhteensopiva olemassa olevien puolijohdevalmistusprosessien kanssa.

On kuitenkin yksi tärkeä syy, miksi piipohjaisia lämpösähköisiä laitteita ei ole tähän mennessä kaupallistettu: niiden hyötysuhde on liian alhainen.

Lämpösähköisten laitteiden tehokkuuden parantamiseksi kahden ehdon on täytyttävä samanaikaisesti. Toisin sanoen lämmönsiirto on minimoitava samalla, kun sähkönsiirto pysyy tehokkaana.

Tutkimusryhmä ratkaisi tämän haasteen käyttämällä "onttoa rakennetta". Perinteiset nanolangat¹ ovat kiinteitä sauvanmuotoisia, kun taas nanoputket ovat sisältä onttoja, aivan kuten pienet putket. Näitä kahta rakennetta verrattaessa nanoputkien lämmönjohtavuus oli noin 70 % alhaisempi kuin nanolankojen. Vieläkin huomattavampi tulos ilmeni, kun kahden rakenteen pinta-alasuhde säädettiin samaksi.

Vaikka normaalisti tällaisissa olosuhteissa odotettaisiin samanlaisia lämpöominaisuuksia, nanoputken lämmönjohtavuus oli silti noin 33 % alhaisempi. Tämä havainto osoittaa, että ontto rakenne itsessään edistää lämmönsiirron estämistä.

Tutkimusryhmä löysi tämän ilmiön syyn fononien lokalisaatiosta. Se tarkoittaa, että nämä värähtelyt rajoittuvat tietyille alueille sen sijaan, että ne leviäisivät koko rakenteeseen.

Tutkijoiden mukaan havainnot osoittavat, että rakenteen indusoima fononien lokalisaatio on uusi suunnitteluperiaate, jolla parannetaan ZT:tä ilman äärimmäistä mittakaavan skaalausta, mikä tekee κ:n vaimentamisesta käytännössä mahdollista termoelektrisissä rakenteissa yksinkertaisen rakennesuunnittelun avulla.

Jos tässä tutkimuksessa tunnistettu mekanismi voidaan soveltaa käytännön sovelluksiin, se voisi avata uusia mahdollisuuksia parantaa energiatehokkuutta muuttamaan hukkalämpö sähköksi.

Tämä teknologia voisi myös ohjata teollista kehitystä, koska se voidaan toteuttaa vakiintuneiden puolijohdevalmistusprosessien avulla ilman harvinaisia metalleja.

Aiheesta aiemmin:

Nanomittakaavan lämpösähköisistä ilmiöistä

Nanoteknistä lämpösähköä kiinteän olomuodon jäähdytyksen

Hukkalämmöstä kvantti-innovaatio