Термоэлектрические материалы можно радикально улучшить с помощью наностержней

Nanophononic_Metamaterial

Учёные из «University of Colorado Boulder» (USA)  нашли способ существенного улучшения эффективности термоэлектрических материалов. Это открытие, которое однажды может привести к разработке более совершенных солнечных панелей, более энергоэффективного оборудования охлаждения, и даже созданию новых устройств, которые могли бы служить на ТЭЦ для использования теряемого тепла. 

Сейчас термоэлектрические материалы мало распространены из-за невысокой эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. В основном термоэлектрические генераторы применяются в космосе, в качестве бортовых источников электропитания космических аппаратов, предназначенных для исследования удаленных от Солнца регионов Солнечной системы, или на Земле в удаленных районах, как энергопечь Индигирка, вырабатывающая тепло и электричество.

Метод улучшения состоит в создании на поверхности термоэлектрического материала массива наноразмерных стержней. Этот метод представляет собой совершенно новый способ решения столетней проблемы эффективности термоэлектриков.

Термоэлектрический эффект (эффект Зеебека), впервые обнаруженный в 1821 году, относится к способности генерировать электрический ток в цепи, состоящей из разнородных проводников, находящихся при различных температурах. Или наоборот,  при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников, происходит выделение или поглощение тепла (эффект Пельтье).

Устройства, в которых используются термоэлектрические материалы, могут  быть использованы в обоих направлениях: для создания электроэнергии от источника тепла, такого как солнце, или для охлаждения прецизионных приборов при потреблении электроэнергии.

Тем не менее, широкое использование термоэлектрических материалов, тормозилось из-за фундаментальной проблемы, занимавшей ученых в течение многих десятилетий. Материалы, которые являются электропроводными, обычно являются и хорошим проводником тепла. Это означает, что разница температур созданная электрическим потенциалом, начинает быстро выравниваться из-за теплопроводности материала.

До 1990-х годов, ученые пытались решить эту проблему путем поиска материалов с внутренними свойствами, позволяющими иметь хорошую электропроводность, но худшую теплопроводность. 20 лет назад ученые надеялись на достижения химии, но потом появились нанотехнологии, позволившие проектировать наноконструкции.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, Хусейн и doctoral student Брюс Дэвис продемонстрировали, что нанотехнологии могут быть использованы совершенно по-другому, чтобы замедлить передачу тепла, не влияя на движение электронов.

Махмуд Хуссейн

Брюс Дэвис

Брюс Дэвис

Новая концепция включает создание массива наноразмерных стержней на поверхности листа термоэлектрического материала, такого как кремний, чтобы сформировать то, что авторы называют “nanophononic metamaterial» (нанофонический метаматериал). Передача тепла происходит в материале в виде серии колебаний, известных как фононы. Атомы, составляющие миниатюрные стержни также вибрируют на различных частотах. Дэвис и Хусейн использовал компьютерную модель, чтобы показать, что колебания у стержней будут взаимодействовать с колебаниями фононов, замедляя поток тепла, но не влияя на электрическую проводимость.

Добавление стержней на поверхности кремниевой пленки замедляет тепловой поток, согласно моделирования структуры на атомном уровне.

Добавление стержней на поверхности кремниевой пленки замедляет тепловой поток, согласно моделирования структуры на атомном уровне.

Следующим шагом для команды Хусейна является сотрудничество с коллегами в отделе физики и другими учреждениями для эксперементального изготовления наностержней, так что идея вскоре может быть проверена в лаборатории. «Это все еще на ранней стадии лабораторной демонстрации, но оставшиеся шаги находятся в пределах досягаемости».

Хусейн также надеется доработать используемую модель, чтобы получить дополнительные сведения в базовой физике. «Команда высоко мотивированных Ph.D. студентов работают со мной круглосуточно по этому проекту», сказал он.

Основано на материалах: University of Colorado Boulder и Wiki

Добавить комментарий


Почитать ещё по теме:


Поточные аккумуляторы достигли показателей литий-ионных по плотности хранения энергии
solar battery tungsten dieselenide
Ультратонкие, прозрачные, гибкие солнечные батареи из диселенида вольфрама
Селективный поглотитель солнечной энергии из наноматериалов
Созданы солнечные батареи, превращающие инфракрасное излучение в электричество

Template design by Joule Watt © 2014 Домашняя энергетика