Un gruppo di ricerca guidato dal professor Yoshiaki Nakamura dell'Università di Osaka ha sviluppato con successo una metodologia per aumentare il fattore di potenza termoelettrica riducendo la conduttività termica. Introducendo nanofili di ZnO nei film di ZnO, il fattore di potenza termoelettrica è diventato tre volte maggiore di quello del film di ZnO senza nanofili di ZnO.

Per lo sviluppo di materiali termoelettrici ad alte prestazioni, sono stati spesso utilizzati elementi pesanti costosi e tossici; però, l'alto costo e la tossicità hanno limitato l'uso sociale di tali materiali termoelettrici. In questa ricerca, Nakamura e il suo team hanno sviluppato nuovi film nanostrutturati (struttura a nanofili di ZnO incorporato) composti da ZnO a basso costo e rispettoso dell'ambiente. Nei film sviluppati, il fattore di potenza termoelettrica è stato aumentato mediante trasmissione selettiva di elettroni energetici attraverso interfacce di nanofili con barriere energetiche intenzionalmente controllate, e la conduttività termica è stata ridotta dalla dispersione dei fononi alle interfacce dei nanofili. Si prevede che il successo di questa ricerca porterà alla realizzazione di dispositivi termoelettrici trasparenti ad alte prestazioni, che consentirà il recupero di energia da oggetti trasparenti come vetri di finestre e dispositivi elettronici trasparenti.

La generazione termoelettrica che converte il calore in elettricità ha attirato molta attenzione come nuova fonte di energia. Si prevede che il vetro della finestra con temperature interne ed esterne diverse come fonte di calore per la generazione termoelettrica, richiedono materiali termoelettrici trasparenti con elevate prestazioni termoelettriche. Le prestazioni termoelettriche richiedono un elevato coefficiente Seebeck, alta conducibilità elettrica, e bassa conducibilità termica. Però, questi tre parametri sono correlati, portando a difficoltà nel miglioramento delle prestazioni. Finora, materiali ad elementi pesanti costosi e tossici con bassa conduttività termica sono stati spesso utilizzati per lo sviluppo di materiali termoelettrici ad alte prestazioni, limitare l'uso della generazione termoelettrica. D'altra parte, i materiali a base di elementi leggeri a basso costo e rispettosi dell'ambiente mostrano basse prestazioni termoelettriche a causa della loro elevata conduttività termica in generale. Però, è stato riportato che la nanostrutturazione ha ottenuto una significativa riduzione della conduttività termica, e i materiali a base di elementi leggeri potrebbero essere candidati per i materiali termoelettrici. Ma, c'è ancora un altro problema in quanto la nanostruttura ha diffuso non solo fononi ma anche elettroni, con conseguente riduzione del fattore di potenza termoelettrica.

Nakamura e il suo team hanno sviluppato con successo film ZnO a basso costo e rispettosi dell'ambiente, compreso il nanofilo di ZnO controllato dalla superficie (struttura del nanofilo di ZnO incorporato), per la prima volta al mondo. Il film con struttura a nanofili di ZnO incorporato con elevata trasmittanza ottica nel campo visibile è previsto come materiale termoelettrico trasparente. Nella struttura, l'altezza della barriera energetica degli elettroni è stata controllata modulando la concentrazione di drogante all'interfaccia del nanofilo, che ha permesso l'aumento del coefficiente di Seebeck dovuto alla trasmissione selettiva di elettroni ad alta energia e alla diffusione di elettroni a bassa energia. Si prevede anche un'elevata conduttività elettrica perché il cristallo di ZnO è formato epitassialmente all'interfaccia del nanofilo, portando a una conduttività elettrica relativamente alta degli elettroni ad alta energia. Per di più, anche la conduttività termica viene ridotta da un aumento della diffusione dei fononi all'interfaccia del nanofilo (Figura 1).

Strutture di nanofili di ZnO incorporati con densità areale di nanofili superiore a 4×10 ⁹ cm ^-2 ha mostrato un fattore di potenza termoelettrica 3 volte maggiore di quello del film ZnO senza nanofili (Figura 2). È stato confermato che la concentrazione di drogante è stata modulata alle interfacce mediante l'osservazione al microscopio elettronico a trasmissione delle interfacce di nanofili. Le misurazioni del coefficiente di Seebeck e della conducibilità elettrica nel campo delle basse temperature ( <300 K) hanno mostrato i comportamenti anomali attribuiti al trasporto di elettroni controllato dall'altezza della barriera energetica. Per di più, l'altezza della barriera energetica è risultata essere di alcune decine di meV attraverso l'analisi teorica dei dati sperimentali. Inoltre, la conduttività termica della struttura del nanofilo di ZnO incorporato era del 20% inferiore a quella del film di ZnO senza nanofili a causa del miglioramento della diffusione dei fononi dovuto all'introduzione dell'interfaccia del nanofilo. Questi risultati indicano successi simultanei:un aumento del fattore di potenza termoelettrico e una diminuzione della conducibilità termica. La misurazione ottica ha mostrato che la struttura aveva una trasmittanza ottica di circa il 60% nel campo visibile, che è paragonabile al valore di una finestra di un edificio (Figura 3).

Lavoro futuro

Nel futuro, sarà possibile diminuire notevolmente la conduttività termica della struttura dei nanofili di ZnO incorporati aumentando la densità areale dei nanofili. I dispositivi termoelettrici composti da film con questa struttura dovrebbero essere realizzati e vedere un uso diffuso grazie al loro utilizzo di ZnO a basso costo ed ecologico. Per di più, il concetto di "Modulare l'altezza della barriera energetica controllando la concentrazione di drogante" può essere applicato non solo allo ZnO ma anche ad altri materiali promettenti, che accelererà lo sviluppo di vari materiali termoelettrici ad alte prestazioni.