L'intenso interesse per la raccolta di energia da fonti di calore ha portato a una rinnovata spinta alla scoperta di materiali in grado di convertire in modo più efficiente il calore in elettricità. Alcuni ricercatori stanno riscontrando questi vantaggi ridisegnando i materiali con cui gli scienziati hanno lavorato per anni.

Un team di ricercatori del Boston College e del MIT riferisce di aver sviluppato un romanzo, design nanotecnologico che aumenta le prestazioni termoelettriche di un semiconduttore in lega sfusa dal 30 al 40 percento al di sopra della cifra di merito precedentemente raggiunta, il metro di misura dell'efficienza di conversione nei termoelettrici.

La lega in questione, silicio germanio, è stato apprezzato per le sue prestazioni in applicazioni termoelettriche ad alta temperatura, compreso il suo utilizzo nei generatori termoelettrici di radioisotopi nelle missioni di volo della NASA. Ma le applicazioni più ampie sono state limitate a causa delle sue basse prestazioni termoelettriche e dell'alto costo del germanio.

Il professore di fisica del Boston College Zhifeng Ren e il ricercatore laureato Bo Yu, e i professori del MIT Gang Chen e Mildred S. Dresselhause e la ricercatrice post-dottorato Mona Zebarjadi, rapporto sul giornale Nano lettere che l'alterazione del design del SiGe sfuso con un processo preso in prestito dall'industria dei semiconduttori a film sottile ha contribuito a produrre un aumento di oltre il 50 percento della conduttività elettrica.

Il processo, nota come strategia di drogaggio della modulazione 3D, è riuscito a creare un dispositivo a stato solido che ha ottenuto una riduzione simultanea della conducibilità termica, che combinato con guadagni di conduttività per fornire un alto valore di merito di ~ 1,3 a 900 ° C.

"Migliorare la cifra di merito di un materiale è estremamente impegnativo perché tutti i parametri interni sono strettamente correlati tra loro, " disse Yu. "Una volta che cambi un fattore, gli altri possono molto probabilmente cambiare, portando a nessun miglioramento netto. Di conseguenza, una tendenza più popolare in questo campo di studio è quella di esaminare nuove opportunità, o nuovi sistemi materiali. Il nostro studio ha dimostrato che esistono ancora opportunità per i materiali esistenti, se si potesse lavorare in modo abbastanza intelligente da trovare alcuni progetti di materiali alternativi."

Ren ha sottolineato che i guadagni in termini di prestazioni riportati dal team competono con i materiali in lega SiGe di tipo n all'avanguardia, con una differenza cruciale che il design del team richiede l'uso del 30 percento in meno di germanio, che rappresenta una sfida per la ricerca energetica a causa del suo costo elevato. La riduzione dei costi è fondamentale per le nuove tecnologie energetiche pulite, ha notato.

"Utilizzare il 30% in meno di germanio è un vantaggio significativo per ridurre i costi di fabbricazione, " ha detto Ren. "Vogliamo che tutti i materiali che stiamo studiando nel gruppo aiutino a rimuovere le barriere di costo. Questo è uno dei nostri obiettivi per la ricerca quotidiana".

La collaborazione tra Ren e Chen del MIT ha prodotto diverse scoperte nella scienza termoelettrica, in particolare nel controllo del trasporto di fononi in materiali compositi termoelettrici sfusi. La ricerca del team è finanziata dal Centro di conversione dell'energia solare termica a stato solido.