Credito:Tokyo Tech
Il continuo esaurimento delle risorse energetiche basate sui combustibili fossili ci sta portando verso una crescente crisi energetica. Di conseguenza, questo ha avviato una ricerca di risorse alternative sostenibili. La conversione dell'energia termoelettrica, un processo di generazione di elettricità dal calore di scarto, ha guadagnato slancio come la prossima potenziale tecnologia di raccolta dell'energia. I generatori costituiti da materiali termoelettrici vengono utilizzati per raccogliere l'energia termica tramite l'"effetto Seebeck". La differenza di temperatura nel materiale termoelettrico crea un flusso di portatori di carica, generando energia elettrica.
Per una conversione efficiente, un materiale termoelettrico deve avere un'elevata efficienza di conversione (ZT), che richiede un alto coefficiente di Seebeck (S), un'elevata conducibilità elettronica (σ) e una bassa conducibilità termica (κ). È noto che il materiale seleniuro di stagno (SnSe) esibisce uno ZT record nella sua forma monocristallina. Tuttavia, le prestazioni si deteriorano nei pratici policristalli a causa di un basso σ e un alto κ.
In un recente studio pubblicato su Advanced Science , un team di ricercatori dal Giappone, guidato dal Professore Associato Takayoshi Katase del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) è riuscito a migliorare lo ZT di SnSe policristallino dimostrando un σ alto e un κ basso contemporaneamente. Il team ha raggiunto questo straordinario passo avanti introducendo lo ione tellurio (Te) nella struttura di SnSe.
C'era un problema, tuttavia. La solubilità di Te 2- ioni nel Se 2- il sito di SnSe è estremamente basso in equilibrio termico a causa di una mancata corrispondenza delle dimensioni tra i due ioni, che limita gravemente la sostituzione ionica. Il team ha affrontato questa sfida adottando un processo di crescita di non equilibrio in due fasi, che ha consentito loro di aumentare il Te 2- limite di concentrazione x fino a 0,4 in Sn(Se1-x Tex ) cristalli sfusi.
"L'aggiunta di uno ione dello stesso stato di valenza di solito non aumenta la concentrazione del vettore nei semiconduttori ionici. Tuttavia, nel nostro caso, la sostituzione di Te 2- ioni al Se 2- sito in SnSe ha aumentato la concentrazione del vettore di tre ordini di grandezza, portando a un alto σ. Inoltre, la sostituzione con ioni Te ha ridotto drasticamente κ a meno di un terzo del suo valore a temperatura ambiente", afferma il dott. Katase.
Ci sono state due strategie principali per realizzare l'alto σ e il basso κ nei policristalli SnSe. Uno è l'aggiunta di ioni con uno stato di valenza diverso, come gli ioni alcalini, per aumentare la concentrazione del vettore. Un altro sta controllando la segregazione delle impurità per la dispersione dei fononi. Pertanto, molte complicazioni sono coinvolte nella sintesi di SnSe policristallino ad alte prestazioni.
Il team, tuttavia, ha mostrato che la sostituzione dello ione Te isovalente aumenta σ e riduce κ, contemporaneamente. Come? Il team ha eseguito i calcoli dei primi principi per chiarire il meccanismo alla base del miglioramento di ZT. I calcoli hanno mostrato che il grande ione Te in SnSe formava deboli legami Sn-Te. Questo legame Sn-Te si dissocia facilmente e nella struttura si forma un'alta densità di posti vacanti Sn, portando a un'elevata concentrazione di lacune. Inoltre, i deboli legami Sn-Te riducono la frequenza fononica (frequenza della vibrazione del reticolo) e migliorano la dispersione dei fononi, risultando in un basso κ.
Lo studio, quindi, presenta un nuovo metodo per l'aggiunta di ioni di grandi dimensioni oltre i loro limiti di equilibrio, che potrebbe guidare gli studi futuri sull'ottimizzazione delle proprietà elettroniche e termiche dei policristalli termoelettrici SnSe. "Riteniamo che i nostri risultati spianerebbero la strada a materiali termoelettrici pratici e ad alte prestazioni", afferma il dott. Katase.
Speriamo certamente che la sua visione non sia troppo lontana dall'essere realizzata. + Esplora ulteriormente
