Generatory termoelektryczne przetwarzają różnice temperatur na prąd. Składają się zwykle z dwóch blaszek o innym składzie chemicznym. Gdy jedna staje się znacznie cieplejsza od drugiej, pojawia się między nimi różnica napięć. 

Dużo ciepła uwalniane jest podczas spalania. W teorii można by je zamienić w prąd elektryczny i odzyskiwać część energii powstałej na przykład w elektrowni lub silniku samochodu. Nikt tego nie robi, bo materiały termoelektryczne są drogie i niezbyt wydajne. 

Nowe odkrycie może jednak doprowadzić do tego, że będzie można odzyskiwać energię. Jak twierdzą wynalazcy, pozwolą odzyskać większość energii traconej w postaci ciepła. 

Nowy rekordzista wśród materiałów termoelektrycznych 

W ostatnich dwudziestu latach naukowcom udało się odkrywać coraz lepsze materiały termoelektryczne. Miarą ich skuteczności jest wskaźnik nazywany ZT. Rekordzistą są tu okryte w 2014 r na Northwestern University kryształy selenku cyny o wskaźniku 3,1. Poprzedni rekord należał do tellurku ołowiu, ale był znacznie niższy i wynosił tylko 2,2. 

Niestety okazały się trudne w wytwarzaniu, a do tego kruche. Nie nadawały się zupełnie do przemysłowych zastosowań. Naukowcy zastanawiali się, jak można to zmienić. Postanowili stworzyć ten sam związek, ale nie w postaci litych kryształów, tylko w formie polikrystalicznej, czyli składającej się z wielu krystalicznych ziaren. Okazało się to strzałem w dziesiątkę. Spiekanie takich ziaren pozwoliło na tworzenie większych elementów, które okazały się trwałe. 

Problem polegał na tym, że ziarna utrudniały oddawanie ciepła do otoczenia, przez co materiał się nagrzewał i tracił swoje właściwości. Wskaźnik ZT polikrystalicznego selenku cyny wynosił już tylko 1,2. 

W 2016 roku badacze odkryli tego przyczynę: na mikroskopijnych kryształach tworzyła się powłoka tlenku cyny, który doskonale przewodzi ciepło. Badacze postanowili temu zaradzić, spiekając mikrokryształy w beztlenowej atmosferze. W pracy opublikowanej niedawno w „Nature Materials” donoszą, że udało im się uzyskać materiał tani, trwały i o wskaźniku ZT równym rekordowemu 3,1. 

Będzie można zamienić aż 65 proc. ciepła w prąd 

Była to połowa drogi. Selenek cyny jest półprzewodnikiem typu p, który przewodzi ładunki ujemne. Żeby móc stworzyć działający generator, potrzebny jest jeszcze odpowiedni półprzewodnik typu n (taki przewodzi ładunki dodatnie). 

Innemu zespołowi na chińskim uniwersytecie w Beihang udało się to niedawno, gdy wprowadził do kryształu selenku cyny atomy bromu. Naukowcy pracują nad tym, żeby również otrzymać go w trwalszej wersji polikrystalicznej. 

Oba materiały razem pozwolą tworzyć ogniwa termoelektryczne o niezwykle wysokiej wydajności. Jak szacują badacze nowe materiały termoelektryczne pozwoliłoby odzyskać aż 65 procent uwalnianej energii cieplnej i zamienić ją na elektryczną, co nareszcie zacznie się opłacać! Będzie można je instalować w samochodach, przemysłowych piecach i innych urządzeniach, skąd będzie można odzyskiwać energię. W silnikach większość energii ucieka właśnie w postaci ciepła. Aż 70 do 80 proc. ulatuje bezpowrotnie w powietrze. Odzyskiwanie energii pozwoli na znacznie mniejsze zużycie paliwa – teoretycznie nawet o połowę. 

Wydajne materiały termoelektryczne pozwoliłyby też na konstruowanie lepszych lodówek, wykorzystujących odwrotne zjawisko – gdy przyłożenie napięcia powoduje różnicę temperatur, więc jedna ze stron takiego ogniwa się schładza. Być może powstaną też wykorzystujące to klimatyzatory. Ale na to musimy jeszcze poczekać. 

Źródło: Science