I materiali termoelettrici possono essere utilizzati per trasformare il calore di scarto in elettricità o per fornire refrigerazione senza refrigeranti liquidi, e un gruppo di ricerca dell'Università del Michigan ha trovato un modo per quasi raddoppiare l'efficienza di una particolare classe di questi prodotti realizzati con semiconduttori organici.

I semiconduttori organici sono composti ricchi di carbonio relativamente economici, abbondante, leggero e resistente. Ma tradizionalmente non sono stati considerati materiali termoelettrici candidati perché sono stati inefficienti nello svolgimento del processo essenziale di conversione da calore a elettricità.

I materiali termoelettrici più efficienti di oggi sono costituiti da semiconduttori inorganici relativamente rari come bismuto, tellurio e selenio che sono costosi, fragili e spesso tossici. Ancora, riescono a convertire il calore in elettricità più di quattro volte più efficiente dei semiconduttori organici creati fino ad oggi.

Questa maggiore efficienza si riflette in una metrica conosciuta dai ricercatori come la "figura di merito" termoelettrica. Questa metrica è circa 1 vicino alla temperatura ambiente per i materiali termoelettrici inorganici all'avanguardia, ma solo 0,25 per i semiconduttori organici.

I ricercatori della UM hanno migliorato lo stato dell'arte dei semiconduttori organici di quasi il 70%, ottenendo una cifra di merito di 0,42 in un composto noto come PEDOT:PSS.

"È circa la metà dell'efficienza degli attuali semiconduttori inorganici, " ha dichiarato il capo progetto Kevin Pipe, professore associato di ingegneria meccanica, ingegneria elettrica e informatica. Pipe è coautore di un articolo sulla ricerca pubblicato su Materiali della natura il 5 maggio, 2013.

PEDOT:PSS è una miscela di due polimeri:il polimero coniugato PEDOT e il polielettrolita PSS. È stato precedentemente utilizzato come elettrodo trasparente per dispositivi come LED organici e celle solari, nonché un agente antistatico per materiali come pellicole fotografiche.

Uno dei modi in cui scienziati e ingegneri aumentano la capacità di un materiale di condurre elettricità è quello di aggiungervi impurità in un processo noto come doping. Quando questi ingredienti aggiunti, chiamati droganti, legame al materiale ospite, gli danno un vettore elettrico. Ciascuno di questi vettori aggiuntivi migliora la conduttività elettrica del materiale.

In PEDOT drogato da PSS, però, solo una piccola frazione delle molecole PSS si lega effettivamente al PEDOT ospite; il resto delle molecole PSS non viene ionizzato e rimane inattivo. I ricercatori hanno scoperto che queste molecole PSS in eccesso inibiscono drasticamente sia la conduttività elettrica che le prestazioni termoelettriche del materiale.

"Il problema è che le molecole PSS inattive allontanano ulteriormente le molecole PEDOT, rendendo più difficile per gli elettroni saltare tra le molecole PEDOT, " Pipe ha detto. "Mentre le molecole PSS ionizzate migliorano la conduttività elettrica, le molecole PSS non ionizzate lo riducono."

Per migliorare la sua efficienza termoelettrica, i ricercatori hanno ristrutturato il materiale su scala nanometrica. Pipe e il suo team hanno scoperto come utilizzare determinati solventi per rimuovere alcune di queste molecole droganti PSS non ionizzate dalla miscela, portando a grandi aumenti sia della conduttività elettrica che dell'efficienza di conversione dell'energia termoelettrica.

Questo particolare materiale termoelettrico organico sarebbe efficace a temperature fino a circa 250 gradi Fahrenheit.

"Alla fine questa tecnologia potrebbe consentirci di creare un foglio flessibile - pensa a Saran Wrap - che può essere srotolato o avvolto attorno a un oggetto caldo per generare elettricità o fornire raffreddamento, " disse Pipa.