La promessa dei materiali termoelettrici come fonte di energia pulita ha guidato la ricerca di materiali in grado di produrre in modo efficiente quantità sostanziali di energia dal calore di scarto.

I ricercatori hanno riportato un importante passo avanti venerdì, pubblicazione in Progressi scientifici la scoperta di una nuova spiegazione per le prestazioni termoelettriche asimmetriche, il fenomeno che si verifica quando un materiale altamente efficiente in una forma che porta una carica positiva è molto meno efficiente nella forma che porta una carica negativa, o vice versa.

Zhifeng Ren, M. D. Anderson Professore Cattedra di Fisica presso l'Università di Houston, direttore del Texas Center for Superconductivity all'UH e autore corrispondente sul documento, hanno affermato di aver sviluppato un modello per spiegare la disparità di prestazioni precedentemente non affrontata tra i due tipi di formulazioni. Hanno quindi applicato il modello per prevedere nuovi materiali promettenti per generare energia utilizzando il calore di scarto proveniente da centrali elettriche e altre fonti.

I ricercatori sapevano già che l'efficienza termoelettrica dipende dalle prestazioni del materiale in entrambe le forme, noto come "tipo p" e "tipo n" per il trasporto di una carica positiva e negativa, rispettivamente. Ma la maggior parte dei materiali non esiste in entrambe le formulazioni o un tipo è più efficiente dell'altro.

Promettente nuovo materiale sintetizzato

È possibile costruire dispositivi termoelettrici efficaci utilizzando solo un composto di tipo p o di tipo n, ma è più facile progettare un dispositivo che contenga entrambi i tipi; Ren ha detto che le migliori prestazioni arriveranno quando entrambi i tipi mostreranno proprietà simili.

I ricercatori hanno sintetizzato uno dei materiali previsti, un composto di zirconio-cobalto-bismuto, e ha riportato un'efficienza di conversione da calore a elettricità misurata del 10,6% sia sul lato freddo, circa 303 Kelvin, o circa 86 gradi Fahrenheit, e il lato caldo, circa 983 Kelvin (1, 310 Fahrenheit) sia per il tipo p che per il tipo n.

giugno Mao, un ricercatore post-dottorato presso l'UH e un primo autore del rapporto, detto di aver determinato le prestazioni asimmetriche di alcuni materiali è legato al fatto che la carica si muove a velocità diverse nei due tipi di formulazione. "Se il movimento di carica di entrambe le cariche positive, per tipo p, e la carica negativa, per il tipo n, è simile, le prestazioni termoelettriche di entrambi i tipi sono simili, " Egli ha detto.

Sapendo che, sono stati in grado di utilizzare il rapporto di mobilità per prevedere le prestazioni di formulazioni precedentemente non studiate.

"Quando le prestazioni termoelettriche per un tipo di materiale sono state studiate sperimentalmente, mentre l'altro tipo non è stato ancora studiato, è possibile prevedere lo ZT utilizzando la relazione identificata tra l'asimmetria e il rapporto di mobilità ponderato, " hanno scritto i ricercatori. ZT, o la figura di merito, è una metrica utilizzata per determinare l'efficienza con cui un materiale termoelettrico converte il calore in elettricità.

Il nuovo modello prevede materiali altamente efficienti

Hangtian Zhu, un ricercatore post-dottorato presso l'UH e l'altro primo autore del rapporto, detto il passo successivo è determinare come formulare il corrispondente tipo di materiale, una volta trovato un materiale con un'elevata efficienza di tipo p o di tipo n.

Ciò può richiedere la sperimentazione per determinare il miglior drogante:i ricercatori modificano le prestazioni aggiungendo una piccola quantità di un elemento aggiuntivo al composto, noto come "doping" - per migliorare le prestazioni, ha detto Zhu.

È qui che entra in gioco la nuova comprensione delle prestazioni asimmetriche. Zhu ha detto prevedendo quali composti avranno prestazioni elevate in entrambi i tipi, i ricercatori sono incoraggiati a continuare a cercare la migliore combinazione, anche se i primi tentativi non hanno avuto successo.