Термоэлектрические материалы играют важную роль в переходе на чистую энергию благодаря способности генерировать электроэнергию посредством преобразования тепла в электричество. Однако их практическое применение замедляется тем, что большинство современных термоэлектрических материалов не производит энергию достаточно эффективно для широкого спектра приложений.
В поисках новых, более эффективных материалов со сложным химическим составом учёным приходится проводить множество экспериментальных испытаний каждого предложенного нового состава из нескольких материалов, зачастую задействуя токсичные или редкие элементы.
Исследователи из Университета Хьюстона и Университета Райса сообщили о новом методе: они изготовили термоэлектрический модуль после того, как доказали, что один из разработанных таким образом материалов — соединение Цинтла p-типа — обеспечит чрезвычайно высокие термоэлектрические характеристики.
Учёные утверждают, что при разнице температур в 475 Кельвинов, или около 855 градусов по Фаренгейту, эффективность преобразования тепла в электричество превышала 10%.
Чжифен Рен, директор Техасского центра сверхпроводимости в Университете Хьюстона и автор статьи, сообщил, что характеристики материалов оставались стабильными в течение более двух лет.
Хотя для повышения эффективности использовалось несколько стратегий, конвергенция электронных зон вызвала особый интерес из-за её потенциала для улучшения термоэлектрических характеристик. Достижение высоких характеристик термоэлектрических материалов обычно является сложной задачей. Создание сложного материала, в котором всем группам приходится работать одновременно для достижения наилучшей производительности, ещё сложнее.
Кроме того, поиск новых материалов с сильной конвергенцией зон занимал много времени, и к этому привели несколько неудачных попыток. Обычным методом был метод проб и ошибок. Сближение энергетических зон способствует увеличению подвижности носителей заряда и концентрации электронов и «дырок», что повышает электрическую проводимость материала. Это важно для термоэлектрических материалов, эффективность которых зависит от способности преобразовывать тепло в электрический ток. Конвергенция зон считается одной из стратегий повышения производительности термоэлектрических материалов наряду с другими подходами, такими как легирование или создание определенной кристаллической структуры.
«Вместо того, чтобы проводить множество экспериментов, этот метод позволил нам исключить ненужные возможности, которые не дадут лучших результатов», — сказал Рен.
Новый метод прогнозирования позволяет существенно сократить время и ресурсы, необходимые для поиска более эффективных термоэлектрических материалов, что может ускорить переход на чистые источники энергии.
Чтобы выяснить, какие комбинации исходных соединений могут обеспечить лучшие показатели, учёные начали с четырёх исходных соединений, содержащих пять элементов: иттербий, кальций, магний, цинк и сурьму. Затем, они выбрали наиболее эффективную смесь для создания термоэлектрического устройства.
«Без этого метода пришлось бы экспериментировать и пробовать все возможности. Другого способа сделать это нет. Сейчас мы сначала делаем расчёт, проектируем материал, а потом изготавливаем его и испытываем», — сказал Синь Ши, аспирант из группы Рена и ведущий автор статьи.
Учёные также могли бы использовать эту стратегию для разработки новых термоэлектрических материалов, применяя метод вычислений к другим многосоставным материалам. Расчёт устанавливает соответствующие соотношения исходных соединений, которые следует использовать в готовом сплаве.
Таким образом, новый вычислительный метод позволяет точно спрогнозировать сближение электронных зон и оптимальный состав сплава, что значительно ускоряет и удешевляет процесс разработки высокоэффективных термоэлектрических материалов. Используя этот подход, учёные создали термоэлектрический модуль на основе соединения Цинтла p-типа, который показал крайне высокую эффективность преобразования тепла в электричество более 10% при разнице температур около 855 градусов по Фаренгейту. Что ещё более важно — характеристики данного материала оставались стабильными на протяжении более двух лет.
Открытие потенциально позволит ускорить переход на возобновляемые источники энергии за счёт создания более эффективных термоэлектрических генераторов.