Термоэлектрическая краска для улучшения конвертации тепла в электричество

Термоэлектрические генераторы, известные также как генераторы Зеебека, являются твердотельными устройствами, которые могут быть использованы для преобразования  отходящего от какого-либо устройства тепла в электрическую энергию. Но жесткость конструкции данных устройств может значительно ограничить эффективность их применения для тел с изогнутыми или неровными поверхностями, так как большая часть тепла в таком случае будет отдаваться в атмосферу. Для решения этой проблемы ученые из Национального института науки и технологии Ульсана (UNIST) изобрели термоэлектрическую краску, которая может применяться как к горячим, так и к холодным поверхностям.

Полупроводники р-типа и n-типа обычно укладываются между холодной и горячей пластинами. Различие температур между пластинами вызывает движение заряженных частиц (эффект Зеебека) и между электродами начинает протекать электрический ток. Эксперименты с термоэлектрической краской позволили улучшить эту систему, позволив добиться большего эффекта на изогнутых поверхностях.

Согласно отчету, опубликованному в Nature Communications в прошлом месяце, термоэлектрическая краска может наноситься на поверхность металлического купола (рисунок ниже) с помощью кисточки. Купол имеет температурный градиент, который направлен от верхней части к нижней. Чередующиеся слои p и n типа термоэлектрической полупроводниковой краски наносятся на купол для генерирования напряжения между электродами, расположенными в верхней и нижней части купола.

Рабочие характеристики краски зависят от малой теплопроводности для поддержания температурного градиента вверху и низу купола. С другой стороны, она должна иметь хорошую электропроводность для работы в электрической цепи. Команда ученых выбрала для использования теллурид висмута (Bi₂Te₃), так как он один из немногих полупроводников, у которых теплопроводность остается почти постоянной с изменением температуры. Ученые смешали Bi₂Te₃ со спекающейся добавкой Sb₂Te₃, которая при нагревании делает краску более плотной, что в конечном итоге повышает эффективность преобразования энергии.

Уравнение для термоэлектрических характеристик

Производительность термоэлектрического материала может быть измерена с помощью безразмерного коэффициента ZT, который зависит от внутренних и внешних факторов. Как упоминалось ранее, производительность повышается, когда электропроводность σ высока, но она уменьшается с повышением теплопроводности k. Именно поэтому k стоит в знаменателе следующего уравнения:

Производительность также зависит от коэффициента Зеебека S, который является внутренним свойством. Измеряется он в вольтах на единицу температуры в кельвинах и определяет скорость движения заряженной частицы при изменении единицы температуры. Проблемой для термоэлектрических материалов является и то, что коэффициент Зеебека имеет тенденцию к уменьшению, когда концентрация носителей заряда (электропроводность) возрастает после определённого порога. И, наконец, производительность возрастет с более широким температурным градиентом, Т.

Для получения термоэлектрического материала краски ученые добились значения ZT = 1,21 для проводников р-типа, и значение ZT = 0,67 для проводников n-типа. Эти значения еще не достаточны для использования в большинстве приложений, но имеют все же превосходство над некоторыми термоэлектрическими технологиями, такими как порошковое напыление. В обычных термоэлектрических устройствах ZT, как правило, выше 2 и 3. Рисунки ниже иллюстрируют процесс создания специальной краски и сравнение ее производительности с порошковым напылением Bi₂Te₃ (гистограмма). Кроме того, представленное на рисунке устройство смогло сгенерировать выходную мощность 4 мВт на квадратный сантиметр, что довольно неплохо для питания небольших устройств.