I materiali termoelettrici possono trasformare una differenza di temperatura in elettricità. I materiali termoelettrici organici potrebbero essere utilizzati per alimentare dispositivi elettronici o sensori indossabili; però, la potenza è ancora molto bassa. Un team internazionale guidato da Jan Anton Koster, Professore di Fisica dei Semiconduttori presso l'Università di Groningen, ha ora prodotto un semiconduttore organico di tipo n con proprietà superiori che avvicina ulteriormente queste applicazioni. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura il 10 novembre.

Il generatore termoelettrico è l'unica fonte di energia prodotta dall'uomo al di fuori del nostro sistema solare:entrambe le sonde spaziali Voyager, lanciati nel 1977 e ora nello spazio interstellare, sono alimentati da generatori che convertono il calore (in questo caso, fornito da una sorgente radioattiva) in una corrente elettrica. "La cosa grandiosa di questi generatori è che sono dispositivi a stato solido, senza parti in movimento, " spiega Koster.

Conducibilità

Però, il materiale termoelettrico inorganico utilizzato nei generatori del Voyager non è adatto per applicazioni più banali. Questi materiali inorganici contengono elementi tossici o molto rari. Per di più, sono generalmente rigidi e fragili. "Ecco perché l'interesse per i materiali termoelettrici organici è in aumento, " dice Koster. Eppure, questi materiali hanno i loro problemi. Il materiale termoelettrico ottimale è un vetro fononico, che ha una conduttività termica molto bassa (in modo che possa mantenere una differenza di temperatura) e anche un cristallo di elettroni con un'elevata conduttività elettrica (per trasportare la corrente generata). Koster dice, "Il problema con i semiconduttori organici è che di solito hanno una bassa conduttività elettrica".

Tuttavia, oltre un decennio di esperienza nello sviluppo di materiali fotovoltaici organici presso l'Università di Groningen ha portato il team sulla strada per un materiale termoelettrico organico migliore. Hanno concentrato la loro attenzione su un semiconduttore di tipo n, che porta una carica negativa. Per un generatore termoelettrico, sono necessari semiconduttori sia di tipo n che di tipo p (che trasportano carica positiva), sebbene l'efficienza dei semiconduttori organici di tipo p sia già abbastanza buona.

Buckyballs

La squadra usava i fullereni ("buckyballs, ' composto da sessanta atomi di carbonio) con aggiunta di una doppia catena laterale di tipo trietilenglicole. Per aumentare la conducibilità elettrica, è stato aggiunto un n-drogante. "I fullereni hanno già una bassa conducibilità termica, ma l'aggiunta delle catenelle laterali lo rende ancora più basso, quindi il materiale è un ottimo vetro fononico, " dice Koster. "Inoltre, queste catene incorporano anche il drogante e creano una struttura molto ordinata durante la ricottura." Quest'ultima rende il materiale un cristallo elettrico, con una conducibilità elettrica simile a quella dei fullereni puri.

"Ora abbiamo realizzato il primo cristallo elettrico in vetro fononico organico, " dice Koster. "Ma la parte più eccitante per me sono le sue proprietà termoelettriche". Queste sono espresse dal valore ZT. La T si riferisce alla temperatura alla quale opera il materiale, mentre Z incorpora le altre proprietà del materiale. Il nuovo materiale aumenta il valore ZT più alto della sua classe da 0,2 a oltre 0,3, un notevole miglioramento.

Sensori

"Un valore ZT di 1 è considerato un'efficienza commercialmente valida, ma crediamo che il nostro materiale possa già essere utilizzato in applicazioni che richiedono un basso rendimento, " dice Koster. Per alimentare i sensori, Per esempio, sono necessari pochi microwatt di potenza e questi potrebbero essere prodotti da un paio di centimetri quadrati del nuovo materiale. "I nostri collaboratori a Milano stanno già realizzando generatori termoelettrici utilizzando fullereni con una singola catena laterale, che hanno un valore ZT inferiore a quello che abbiamo ora."

I fullereni, catena laterale e drogante sono tutti prontamente disponibili e la produzione del nuovo materiale può probabilmente essere scalata senza troppi problemi, secondo Koster. È estremamente soddisfatto dei risultati di questo studio. "Il documento ha venti autori provenienti da nove diversi gruppi di ricerca. Abbiamo usato la nostra conoscenza combinata della chimica organica sintetica, semiconduttori organici, dinamica molecolare, conducibilità termica e studi strutturali a raggi X per ottenere questo risultato. E abbiamo già alcune idee su come aumentare ulteriormente l'efficienza".