Термоэлектрический генератор преобразует отработанное тепло в электроэнергию без выбросов парниковых газов. Эта технология поможет переработать энергию, которая теряется в виде тепла в электронике, электростанциях и двигателях. Но высокая стоимость и низкая эффективность этих устройств препятствовали их широкому использованию.

Команда инженеров из Северо-Западного университета и Сеульского национального университета в Корее разработала новый термоэлектрический материал, который может оказаться самым эффективным и дешевым на сегодняшний день. Новый материал – улучшенная поликристаллическая форма очищенного селенида олова – превосходит монокристаллическую форму в преобразовании тепла в электричество, что делает его наиболее эффективной термоэлектрической системой за всю историю наблюдений.

Термоэлектрический материал внутри термоэлектрических устройств генерирует электричество, используя разницу температур между двумя его сторонами. Одна сторона устройства горячая, а другая холодная. Нагревание одной стороны материала может привести к тому, что электроны начнут перемещаться от более теплой стороны к более холодной, создавая при этом электрический ток.

Для наилучшего преобразования отработанного тепла материал должен иметь высокую электропроводность, но низкую теплопроводность, чтобы электроны могли легко проходить сквозь него, а тепло оставалось на одной стороне. Кроме того, материал должен быть устойчивым при очень высоких температурах. Эти и другие проблемы делают производство термоэлектрических устройств более сложным, чем солнечные элементы.

Эффективность преобразования отработанного тепла в термоэлектриках отражается его «добротностью», или ZT. Чем выше число, тем лучше коэффициент конверсии. Ранее было обнаружено, что ZT монокристаллического селенида олова составляет приблизительно от 2,2 до 2,6 при 913 Кельвинах. Инженеры Северо-Западного университета утверждают, что достигли рекордного значения ZT примерно 3,1 при 783 градусах Кельвина.

Ключевым моментом был удивительный материал под названием селенид олова, который команда ранее довела до ZT 2,6 в его монокристаллической форме. Однако монокристаллическая форма непрактична для массового производства из-за ее хрупкости и склонности к расслоению. Поэтому инженеры использовали селенид олова в поликристаллической форме, который прочнее и легче поддается резке и формованию по мере необходимости.

Когда исследователи начали экспериментировать с этой формой, они обнаружили, что теплопроводность материала высока, что нежелательно для термоэлектрических устройств. При более внимательном рассмотрении выяснилось, что виновником была корка окисленного олова на материале. Тепло текло через проводящую кожу, увеличивая теплопроводность.

Узнав, что окисление происходит как в самом процессе, так и в исходных материалах, корейская команда нашла способ удалить кислород. Затем исследователи смогли произвести гранулы селенида олова без кислорода, которые затем протестировали. Очищенному селениду олова удалось достичь ZT примерно 3,1, что превышает ZT для монокристаллической формы, что делает его наиболее эффективным за всю историю наблюдений.

«Это открывает двери для новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова, и будет изучено их применение», – сказал Меркури Канатзидис из Northwestern, химик, специализирующийся на разработке новых материалов.

Потенциальные области применения термоэлектрического материала включают автомобильную промышленность, тяжелую промышленность, например, производство стекла и кирпича, нефтеперерабатывающие заводы, угольные и газовые электростанции.