La conversione termoelettrica (TE) offre una generazione di energia senza carbonio da geotermia, sciupare, calore corporeo o solare, e promette di essere la tecnologia di conversione dell'energia di prossima generazione. Al centro di tale conversione TE, c'è un dispositivo termoelettrico tutto allo stato solido che consente la conversione dell'energia senza emissione di rumore, vibrazioni, o inquinanti. A questa, un team di ricerca POSTECH ha proposto un modo per progettare il dispositivo termoelettrico di nuova generazione che presenta un processo di fabbricazione e una struttura notevolmente semplici rispetto a quelli convenzionali, mentre mostra una migliore efficienza di conversione dell'energia utilizzando l'effetto spin Seebeck (SSE).

Un team di ricerca congiunto POSTECH, guidato dal professor Hyungyu Jin e dal Ph.D. Il candidato Min Young Kim del Dipartimento di Ingegneria Meccanica con il Professor Si-Young Choi del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, è riuscito a progettare un dispositivo termoelettrico altamente efficiente ottimizzando le proprietà sia dell'interno che della superficie del materiale magnetico che rende il dispositivo termoelettrico SSE. Questo è uno studio pionieristico per mostrare la possibilità di fabbricare un dispositivo termoelettrico di nuova generazione utilizzando l'SSE, che è rimasto nella ricerca fondamentale. Questi risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati nell'edizione online di Scienze energetiche e ambientali , una rivista accademica internazionale nel campo dell'energia.

I dispositivi TE convenzionali si basano sull'effetto Seebeck di carica, un effetto termoelettrico in cui viene generata una corrente di carica nella direzione parallela a un gradiente di temperatura applicato in un materiale solido. Questa geometria longitudinale complica la struttura del dispositivo e limita la produzione di tali dispositivi TE.

Il team di ricerca ha fabbricato un dispositivo SSE a doppio strato di nichel ferrite (NFO) e platino (Pt) pensando fuori dagli schemi:si è reso conto che la struttura del dispositivo può essere resa molto più semplice utilizzando l'effetto TE trasversale in cui viene generata una corrente di carica nella direzione perpendicolare al gradiente di temperatura applicato. Quando viene applicato un gradiente di temperatura nella direzione dell'altezza del dispositivo, la corrente di spin generata nel materiale magnetico NFO viene trasferita all'interfaccia tra NFO e Pt, iniettato nel Pt, poi convertito in una corrente elettrica all'interno del Pt. La corrente generata in questo momento scorre in una direzione perpendicolare al gradiente di temperatura applicato. Utilizzando questo SSE, è possibile costruire una struttura del dispositivo più semplice e facile da scalare rispetto ai dispositivi termoelettrici convenzionali.

Per utilizzare il dispositivo SSE, richiede un notevole miglioramento della struttura e dell'efficienza. A questa, il team di ricerca ha ideato un semplice metodo di trattamento termico per migliorare l'efficienza del dispositivo termoelettrico NFO-Pt. È stato scoperto attraverso un'osservazione utilizzando una microscopia elettronica a trasmissione a scansione, che si può formare una microstruttura unica all'interno del materiale NFO riscaldandolo ad una temperatura elevata di 1200°C o superiore per una certa durata, quindi riscaldando ad una temperatura più alta per un dato tempo poi raffreddando. Inoltre, il team ha anche confermato che la stessa tecnica di trattamento termico può anche migliorare significativamente la qualità dell'interfaccia tra NFO e Pt. Finalmente, è stato dimostrato che questi due effetti possono migliorare notevolmente l'efficienza termoelettrica del dispositivo.

"In questo studio, abbiamo spiegato e presentato i principi alla base della fabbricazione del dispositivo TE di nuova generazione con una struttura molto più semplice rispetto a quelli convenzionali utilizzando l'SSE e un metodo che può migliorare notevolmente la sua efficienza attraverso una semplice tecnica di trattamento termico, " ha osservato il professor Hyungyu Jin che ha guidato lo studio. Ha aggiunto, "Se questo porterà allo sviluppo di dispositivi TE altamente efficienti in futuro, mostra la promessa di contribuire in definitiva a mitigare le sfide energetiche e climatiche".