Osiągnięcie zespołu kierowanego przez prof. Ryuji Okazakiego z Wydziału Fizyki i Astronomii w Tokyo University of Science to pierwszy dowód na możliwość zastosowania efektu termoelektrycznego poprzecznego (TTE) w dwukrzemku wolframu (WSi2). Szczegóły opisano w czasopiśmie PRX Energy.
Czytaj też:Energia z powietrza? Nowa technologia działa w każdych warunkach
Prof. Ryuji Okazaki mówi:
Poprzeczna konwersja termoelektryczna to zjawisko, które zyskuje na popularności jako nowa podstawowa technologia czujników zdolnych do pomiaru temperatury i przepływu ciepła. Istnieje jednak tylko ograniczona liczba takich materiałów i nie ustalono żadnych wytycznych projektowych. Jest to pierwsza bezpośrednia demonstracja poprzecznej konwersji termoelektrycznej w dwukrzemku wolframu.
Po raz pierwszy w historii udało się zamienić ciepło w prąd elektryczny
Tradycyjne urządzenia termoelektryczne, znane jako urządzenia termoelektryczne równoległe, generują napięcie w tym samym kierunku co przepływ ciepła. W takich urządzeniach zazwyczaj używa się dwóch rodzajów materiałów: typu p i n, które generują napięcia w przeciwnych kierunkach. Łącząc je szeregowo, można uzyskać większe napięcie. Jednak wiąże się to również z większą liczbą punktów kontaktowych, co zwiększa opór elektryczny i prowadzi do większych strat energii.
Czytaj też:Rewolucja w produkcji wodoru. Te niezwykłe kryształy przyspieszają proces aż 200 razy
Z kolei urządzenia termoelektryczne poprzeczne działają inaczej: generują energię elektryczną prostopadle do przepływu ciepła. Dzięki temu wymagają mniej punktów kontaktowych, co przekłada się na wyższą efektywność konwersji termoelektrycznej. Tzw. materiały wykazujące polaryzację przewodnictwa zależną od osi (ADCP) – przewodniki goniopolarne – które przewodzą dodatnie ładunki (typ p) w jednym kierunku, a ujemne (typ n) w drugim, są obiecującymi kandydatami do wykorzystania w urządzeniach termoelektrycznych poprzecznych. Niestety, bezpośrednie udowodnienie efektu termoelektrycznego poprzecznego (TTE) nie było możliwe – aż na scenę nie wkroczył dwukrzemek wolframu.
Naukowcy przeanalizowali właściwości WSi2, łącząc eksperymenty fizyczne z symulacjami komputerowymi. Zmierzyli termoelektryczność, opór elektryczny i przewodność cieplną pojedynczego kryształu WSi2 wzdłuż dwóch jego osi krystalograficznych w niskich temperaturach. Okazało się, że polaryzacja przewodnictwa zależna od osi (ADCP) WSi2 wynika z unikalnej struktury elektronicznej tego materiału, charakteryzującej się powierzchniami Fermiego o różnych wymiarach.
Powierzchnia Fermiego to teoretyczna powierzchnia geometryczna, która oddziela zajęte i niezajęte stany elektroniczne nośników ładunku w stałym materiale. W WSi2 elektrony tworzą quasi-jednowymiarowe powierzchnie Fermiego, a dziury quasi-dwuwymiarowe. Te wyjątkowe powierzchnie Fermiego powodują przewodnictwo zależne od kierunku, umożliwiając wystąpienie efektu termoelektrycznego poprzecznego (TTE).
Prof. Ryuji Okazaki dodaje:
Nasze badania wykazały, że różnice w przewodnictwie elektrycznym wynikają z nieregularności w strukturze krystalicznej, co pozwala na dalsze optymalizacje materiału.
Przełom w wykorzystaniu dwukrzemku wolframu może być początkiem nowej ery w termoelektryce. Dzięki badaniom japońskiego zespołu stajemy przed szansą na efektywniejsze zarządzanie ciepłem, które dotychczas uciekało bezpowrotnie, przekształcając je w bezcenny prąd elektryczny.