Американские ученые получили пироэлектрический материал, преобразующий тепловую энергию в электрическую с рекордными значениями плотности энергии и коэффициента полезного действия. Этот материал представляет собой пленку сегнетоэлектрического релаксора толщиной 150 нанометров и в будущем его можно использовать для повышения эффективности потребления энергии, пишут ученые в Nature Materials.

Чтобы повысить эффективность потребления энергии, обычно стремятся свести к минимуму все ее возможные потери. Для этого можно или повышать эффективность первичного использования энергия, или каким-то образом использовать вторичную энергию, не использованную изначально. Один из вариантов второго подхода — использование тепловой энергии, которая выделяется в электронных устройствах. Поскольку на ненужный разогрев тратится до 70 процентов всей энергии, разработка эффективных способов преобразования тепла — актуальная проблема для современной энергетики развитых стран. Обычно для этого предлагают использовать термоэлектрические устройства, которые преобразуют в электричество разницу температур или более сложные устройства, например термогальванические ячейки, однако в поиске более эффективных методов ученые иногда предлагают и другие материалы и методы.

Американские ученые под руководством Лейна Мартина (Lane W. Martin) из Калифорнийского университета в Беркли разработали новый способ эффективного преобразования тепла, которое выделяется в проводах, в электрический ток. Для они предложили использовать пленку из материала, который на треть состоит из титаната свинца, а на две трети — из смешанного ниобата свинца и магния. Этот материал обладает свойствами сегнетоэлектрического релаксора, то есть при определенной температуре может переходить в поляризованное состояние, при этом такой переход происходит не скачком, а сильно растягивается по температуре. За счет этого материал можно использовать как пироэлектрик, то есть при нагревании в нем происходит разделение зарядов и возникает разность потенциалов.

Исследователи предложили использовать для преобразования тепла не объемный материал, а пленку толщиной всего 150 нанометров, что дает возможность для применения подхода для широкого диапазона температурных колебаний и электрических напряжений. Предложенную концепцию ученые проверили с помощью специального многослойного устройства, в котором можно было измерять пироэлектрический, сегнетоэлектрический и диэлектрический отклик материала в ответ на изменение температуры, а также при приложении внешнего электрического поля.

Схема устройства, в котором выделяющееся тепло используется для получения электрического тока. Пироэлектрическая пленка обозначена розовым цветом. S. Pandya et al./ Nature Materials, 2018

Результаты экспериментальных измерений показали, что использованный учеными материал значительно превосходит другие использующиеся для подобных целей пироэлектрики: его пироэлектрический коэффициент доходит до ​550 микрокулонов на квадратный метр при увеличении температуры на один градус. Кроме того, оказалось, что его пироэлектрический эффект можно контролируемо увеличивать за счет внешнего электрического напряжения. В результате ученым удалось достичь рекордных показателей для пироэлектрических материалов сразу по нескольким параметрам: плотность энергии достигла 1,06 джоуля на кубический сантиметр, плотность мощности — 526 ватт на кубический сантиметр. Эффективность этого материала тоже оказалась максимальной — 19 процентов от КПД цикла Карно. Эти показатели очень близки к параметрам лучших термоэлектрических материалов при разнице температур в 10 градусов.

Ученые отмечают, что следующим этапов работы станет оптимизация геометрии самой пленки и всего устройства для работы с реальными тепловыми потоками от проводящих элементов различных устройств. Однако исходя из полученных данных уже сейчас можно утверждать, что такие пироэлектрические пленки могут стать одним из наиболее эффективных материалов для преобразования вторичного тепла в полезную энергию.

Использованные учеными сегнетоэлектрические релаксоры — довольно необычный класс материалов, свойства которых до конца не изучены. Например, до сих пор точно не определена точная причина необычного растянутого фазового перехода релаксоров. Недавно ученые обнаружили, что это явление может быть связано с градиентной сменой упорядоченных и неупорядоченных с точки зрения химического состава областей внутри кристалла.

Автор: Александр Дубов