Широкому распространению термоэлектрических устройств, которые могут напрямую преобразовывать электроэнергию в тепловую энергию для охлаждения и нагрева, частично препятствует нехватка материалов, которые являются недорогими и высокоэффективными при комнатной температуре.
Теперь исследователи из Университета Хьюстона и Массачусетского технологического института сообщили об открытии нового материала, который эффективно работает при комнатной температуре, при этом почти не требуя дорогостоящего теллура, основного компонента современного материала.
Работа, описанная в статье, опубликованной на сайте Science в четверг, 18 июля, имеет потенциальные приложения для защиты электронных устройств, транспортных средств и других компонентов от перегрева, сказал Чжифэн Жэнь, соответствующий автор работы и директор Техасского центра сверхпроводимости в UH, где он также является профессором физики М. Д. Андерсона.
«Мы создали новый материал, который стоит недорого, но по-прежнему почти так же хорошо, как и традиционный, более дорогой материал», – сказал Рен. Исследователи говорят, что будущая работа может сократить небольшой разрыв в производительности между их новым материалом и традиционным материалом, сплавом на основе висмута-теллура.
Термоэлектрические материалы работают, используя поток теплового тока из более теплой области в более холодную область, а термоэлектрические охлаждающие модули работают в соответствии с эффектом Пельтье, который описывает передачу тепла между двумя электрическими соединениями.
Термоэлектрические материалы также могут быть использованы для превращения отработанного тепла – от электростанций, автомобильных выхлопных труб и других источников – в электричество, и для этого применения сообщалось о ряде новых материалов, которые требуют материалов для работы при гораздо более высоких температурах.
Термоэлектрические охлаждающие модули представляют собой серьезную проблему, потому что они должны работать при более низких температурах, где коэффициент термоэлектрической эффективности, или ZT, является низким, поскольку он зависит от температуры. Показатель качества – это показатель, используемый для определения эффективности работы термоэлектрического материала.
Несмотря на сложную задачу, термоэлектрические охлаждающие модули также, по крайней мере, на данный момент, имеют больший коммерческий потенциал, отчасти потому, что они могут работать в течение длительного срока службы при более низких температурах; Выработка термоэлектрической энергии осложняется проблемами, связанными с высокими температурами, при которых она работает, включая окисление и термическую нестабильность.
Рынок термоэлектрического охлаждения растет. «Мировой рынок термоэлектрических модулей в 2018 году стоил ~ 0,6 миллиарда долларов США, а к 2027 году ожидается, что он достигнет 1,7 миллиарда долларов США», – пишут исследователи.
Сплавы висмут-теллур считались наиболее эффективным материалом для термического охлаждения на протяжении десятилетий, но исследователи заявили, что высокая стоимость теллура имеет ограниченное широкое применение. Цзюнь Мао, постдокторский исследователь в UH и первый автор статьи, сказал, что стоимость недавно упала, но остается около 50 долларов за килограмм. Это примерно 6 долларов за килограмм магния, основного компонента нового материала.
В дополнение к Рену и Мао, в число дополнительных авторов статьи входят Хангтян Чжу, Зиханг Лю и Гитал Амила Гамаж, все физические факультеты UH и TcSUH, а также Живей Дин и Ган Чен из факультета машиностроения Массачусетского института Технология.
Они сообщили, что новый материал, состоящий из магния и висмута и созданный в форме, несущей отрицательный заряд, известный как n-тип, был почти так же эффективен, как и традиционный материал висмут-теллур. Это, в сочетании с более низкой стоимостью, должно расширить использование термоэлектрических модулей для охлаждения, сказали они.
Чтобы создать термоэлектрический модуль с использованием нового материала, исследователи объединили его с версией традиционного сплава висмут-теллур, несущей положительный заряд, или p-типа. Мао сказал, что это позволило им использовать вдвое меньше теллура, чем большинство современных модулей.
По его словам, поскольку стоимость материалов составляет около трети стоимости устройства, это экономия.
Исследователи сообщили, что новый материал также более успешно поддерживает электрический контакт, чем большинство наноструктурированных материалов.
