Самодельное устройство для измерения эффективности преобразования энергии, созданное исследовательской группой, которое также может измерять температуру охлаждаемой стороны. Предоставлено: Университет Хьюстона.
Термоэлектрические материалы могут сыграть важную роль в переходе на чистую энергию, поскольку они могут производить электроэнергию из источников тепла, которые в противном случае были бы потрачены впустую, не создавая дополнительных парниковых газов и не требуя крупных первоначальных инвестиций. Но их обещания замедлились из-за того, что большинство современных термоэлектрических материалов не производят достаточно энергии, чтобы их можно было использовать во многих практических приложениях.
Поиск новых, более эффективных материалов со сложным химическим составом был трудоемким, требовал экспериментальной проверки каждого предлагаемого нового состава из нескольких материалов и часто включал использование токсичных или редких элементов. В газете опубликовано в журнале НаукаИсследователи из Университета Хьюстона и Университета Райса сообщают о новом подходе к предсказанию реализации сходимости полос в ряде материалов.
Продемонстрировав, что один из разработанных таким образом материалов, соединение Цинтла p-типа, будет обеспечивать высокоэффективные термоэлектрические характеристики, они изготовили термоэлектрический модуль и сообщили о эффективности преобразования тепла в электричество, превышающей 10% при разнице температур 475 Кельвинов. или около 855 градусов по Фаренгейту.
Чжифен Рен, директор Техасского центра сверхпроводимости в UH (TcSUH) и автор статьи, сообщил, что характеристики материалов оставались стабильными в течение более двух лет.
Хотя для повышения эффективности использовались различные подходы, концепция, известная как конвергенция электронных зон, привлекла внимание благодаря своему потенциалу улучшения термоэлектрических характеристик.
«Обычно трудно добиться высоких характеристик от термоэлектрических материалов, потому что не все электронные зоны в материале вносят свой вклад», — сказал Рен. «Еще сложнее создать сложный материал, в котором все группы работают одновременно, чтобы добиться наилучшего исполнения».
По его словам, в этой работе ученые сначала сосредоточились на разработке расчета, чтобы определить, как создать материал, в котором все различные энергетические зоны могут способствовать общим характеристикам. Затем они продемонстрировали, что расчет работает как на практике, так и в теории, создав модуль для дальнейшей проверки полученной высокой производительности на уровне устройства.
Схождение зон считается хорошим подходом для улучшения термоэлектрических материалов, поскольку оно увеличивает коэффициент термоэлектрической мощности, который связан с фактической выходной мощностью термоэлектрического модуля. Но до сих пор открытие новых материалов с сильной сходимостью зон занимало много времени и приводило к множеству фальстартов.
«Стандартный подход — это метод проб и ошибок», — сказал Рен, который также является заведующим кафедрой физики конденсированных сред в UH. «Вместо того, чтобы проводить множество экспериментов, этот метод позволяет нам исключить ненужные возможности, которые не дадут лучших результатов».
Чтобы эффективно предсказать, как создать наиболее эффективный материал, исследователи использовали высокоэнтропийный сплав Цинтла YbxCa.1-хМгыЗн2-йСб2в качестве примера, разработка серии композиций, посредством которых сближение полос достигалось одновременно во всех композициях.
Рен описал, как это работает, следующим образом: если команда из 10 человек пытается поднять объект, более высокие члены несут большую часть нагрузки, в то время как более низкие участники не вносят такого большого вклада. При конвергенции групп цель состоит в том, чтобы сделать всех членов группы более похожими — в этом примере высокие участники группы будут ниже ростом, а невысокие участники — выше, — чтобы все могли внести свой вклад в то, чтобы нести общую нагрузку.
Здесь исследователи начали с четырех исходных соединений, содержащих в общей сложности пять элементов — иттербий, кальций, магний, цинк и сурьма — и провели расчеты, чтобы определить, какие комбинации исходных соединений могут достичь сближения зон. Как только это было определено, они выбрали лучший из этих высокоэффективных составов для создания термоэлектрического устройства.
«Без этого метода вам пришлось бы экспериментировать и пробовать все возможности», — сказал Синь Ши, аспирант из группы Рена и ведущий автор статьи. «Другого способа сделать это нет. Теперь мы сначала делаем расчет, проектируем материал, а затем изготавливаем его и испытываем».
Этот метод расчета можно использовать и для других многосоставных материалов, что позволит исследователям использовать этот подход для создания новых термоэлектрических материалов. После того как правильные исходные соединения определены, расчет определяет, какое соотношение каждого из них следует использовать в конечном сплаве.
Помимо Рена и Ши, среди авторов статьи доктор Шаовэй Сун, исследователь из Техасского центра сверхпроводимости, и доктор Гуаньхуэй Гао из Департамента материаловедения и наноинженерии в Райсе. Гао сейчас в UH.
Предоставлено Университетом Хьюстона