Nästan 70 procent av den energi som produceras i USA varje år går till spillo som värme. Mycket av den värmen är mindre än 100 grader Celsius och kommer från saker som datorer, bilar eller stora industriella processer. Ingenjörer vid University of California, Berkeley, har utvecklat ett tunnfilmssystem som kan appliceras på källor till spillvärme som dessa för att producera energi på nivåer som saknar motstycke för denna typ av teknik.

Tunnfilmssystemet använder en process som kallas pyroelektrisk energiomvandling, som ingenjörernas nya studie visar är väl lämpad för att utnyttja spillvärmeenergiförsörjning under 100 grader Celsius, kallas spillvärme av låg kvalitet. Pyroelektrisk energiomvandling, som många system som omvandlar värme till energi, fungerar bäst med termodynamiska cykler, ungefär som hur en bilmotor fungerar. Men till skillnad från motorn i din bil, pyroelektrisk energiomvandling kan realiseras helt i fast tillstånd utan rörliga delar eftersom det omvandlar spillvärme till elektricitet.

De nya resultaten tyder på att denna nanoskopiska tunnfilmsteknik kan vara särskilt attraktiv för att installera på och skörda spillvärme från höghastighetselektronik men kan ha ett stort användningsområde. För fluktuerande värmekällor, studien rapporterar att den tunna filmen kan förvandla spillvärme till användbar energi med högre energitäthet, effekttäthet och effektivitetsnivåer än andra former av pyroelektrisk energiomvandling.

"Vi vet att vi behöver nya energikällor, men vi måste också bli bättre på att utnyttja den energi vi redan har, " sa seniorförfattaren Lane Martin, docent i materialvetenskap och teknik. "Dessa tunna filmer kan hjälpa oss att pressa ut mer energi än vi gör idag ur varje energikälla."

Forskningen kommer att publiceras den 16 april i tidskriften Naturmaterial . Forskningen fick stöd, till viss del, genom anslag från Army Research Office och National Science Foundation.

Pyroelektriskt beteende har varit känt under lång tid, men att noggrant mäta egenskaperna hos tunnfilmsversioner av pyroelektriska system har förblivit en utmaning. Ett betydande bidrag från den nya studien är att avmystifiera den processen och förbättra förståelsen av pyroelektrisk fysik.

Martins forskargrupp syntetiserade tunnfilmsversioner av material bara 50-100 nanometer tjocka och sedan, tillsammans med gruppen Chris Dames, docent i maskinteknik vid Berkeley, tillverkade och testade de pyroelektriska anordningsstrukturerna baserat på dessa filmer. Dessa strukturer tillåter ingenjörerna att samtidigt mäta temperaturen och de elektriska strömmar som skapas, och käll värme för att testa enhetens kraftgenereringsförmåga - allt på en film som är mindre än 100 nanometer tjock.

"Genom att skapa en tunnfilmsenhet, vi kan snabbt få in och ut värmen från det här systemet, ger oss tillgång till pyroelektrisk kraft på oöverträffade nivåer för värmekällor som fluktuerar över tiden, " sa Martin. "Allt vi gör är att hämta värme och applicera elektriska fält på det här systemet, och vi kan utvinna energi."

Denna studie rapporterar nya rekord för pyroelektrisk energiomvandlingsenergitäthet (1,06 Joule per kubikcentimeter), effekttäthet (526 watt per kubikcentimeter) och effektivitet (19 procent av Carnot effektivitet, som är standardmåttenheten för en värmemotors verkningsgrad).

Nästa steg i denna forskningslinje kommer att vara att bättre optimera tunnfilmsmaterialen för specifika spillvärmeströmmar och temperaturer.

"En del av det vi försöker göra är att skapa ett protokoll som tillåter oss att driva ytterligheterna av pyroelektriska material så att du kan ge mig en spillvärmeström och jag kan ge dig ett material som är optimerat för att lösa dina problem, sa Martin.