Il seleniuro di stagno potrebbe superare considerevolmente l'efficienza dei materiali termoelettrici che detengono il record attuale fatti di tellururo di bismuto. Però, si pensava che la sua efficienza aumentasse notevolmente solo a temperature superiori a 500 gradi Celsius. Ora le misurazioni alle sorgenti di sincrotrone BESSY II e PETRA IV mostrano che il seleniuro di stagno può essere utilizzato anche come materiale termoelettrico a temperatura ambiente, purché venga applicata un'alta pressione.

L'effetto termoelettrico è noto dal 1821:con determinate combinazioni di materiali, una differenza di temperatura genera una corrente elettrica. Se un'estremità del campione viene riscaldata, ad esempio utilizzando il calore di scarto di un motore a combustione, quindi parte di questa energia altrimenti persa può essere convertita in energia elettrica. Però, l'effetto termoelettrico nella maggior parte dei materiali è estremamente ridotto. Questo perché per ottenere un grande effetto termoelettrico, la conduzione del calore deve essere scarsa, mentre la conduttività elettrica deve essere elevata. Però, la conduzione del calore e la conduttività elettrica sono quasi sempre strettamente associate.

Per questa ragione, la ricerca di materiali termoelettrici si concentra su composti con speciali strutture cristalline come il tellururo di bismuto (Bi ₂ Te ₃ ). Il tellururo di bismuto è uno dei migliori materiali termoelettrici conosciuti fino ad oggi. Però, sia il bismuto che il tellurio sono elementi rari, che ne limitano l'uso su larga scala. Continua quindi la ricerca di materiali termoelettrici idonei tra gli elementi atossici più abbondanti.

Sei anni fa, un gruppo di ricerca degli Stati Uniti ha scoperto che il seleniuro di stagno sopra i 500 gradi Celsius può convertire circa il 20% del calore in energia elettrica. Questa è un'efficienza enorme e supera considerevolmente il valore del tellururo di bismuto. Inoltre, stagno e selenio sono abbondanti.

Questo effetto termoelettrico estremamente grande è correlato a una transizione di fase o riarrangiamento della struttura cristallina del seleniuro di stagno. La struttura cristallina del seleniuro di stagno è costituita da molti strati, simile a filo o pasta sfoglia. A 500 gradi Celsius, gli strati iniziano ad auto-organizzarsi e la conduzione del calore diminuisce, mentre i portatori di carica rimangono mobili. L'efficienza dell'effetto termoelettrico in questo orientamento cristallografico del seleniuro di stagno non è stata finora superata da nessun altro materiale.

Lavori ad alta pressione

Un team internazionale guidato dal Dr. Ulrich Schade presso l'HZB ha ora esaminato in modo completo campioni di seleniuro di stagno con l'aiuto della spettroscopia infrarossa al BESSY II e dei raggi X duri al PETRA IV. Le misurazioni mostrano che la struttura cristallina desiderata è prodotta da alta temperatura a pressione normale o alta pressione (superiore a 10 GPa) a temperatura ambiente. Anche le proprietà elettroniche cambiano da semiconduttore a semimetallico nella struttura ad alta temperatura. Questo si adatta alle previsioni dei calcoli teorici del modello e anche dei calcoli della struttura a bande.

"Siamo in grado di spiegare con i nostri dati e i nostri calcoli perché il seleniuro di stagno è un materiale termoelettrico così eccezionale in un'ampia gamma di temperature e pressioni, " afferma Schade. Ulteriori lavori di sviluppo saranno necessari per garantire stabilità a lungo termine, Per esempio, prima che i dispositivi termoelettrici a base di seleniuro di stagno entrino davvero sul mercato, anche se. Quindi il seleniuro di stagno potrebbe diventare un'alternativa economica e facilmente disponibile al tellururo di bismuto.