Löftet om termoelektriska material som en källa till ren energi har drivit sökandet efter material som effektivt kan producera betydande mängder kraft från spillvärme.

Forskare rapporterade ett stort steg framåt fredag, publicerar i Vetenskapens framsteg upptäckten av en ny förklaring till asymmetrisk termoelektrisk prestanda, fenomenet som uppstår när ett material som är mycket effektivt i en form som bär en positiv laddning är mycket mindre effektivt i den form som bär en negativ laddning, eller tvärtom.

Zhifeng Ren, M. D. Anderson ordförande professor i fysik vid University of Houston, direktör för Texas Center for Superconductivity vid UH och motsvarande författare på tidningen, sa att de har utvecklat en modell för att förklara den tidigare oadresserade skillnaden i prestanda mellan de två typerna av formuleringar. De använde sedan modellen för att förutsäga lovande nya material för att generera kraft med spillvärme från kraftverk och andra källor.

Forskarna visste redan att termoelektrisk effektivitet beror på materialets prestanda i båda formerna, känd som "p-typ" och "n-typ" för att bära en positiv och negativ laddning, respektive. Men de flesta material finns antingen inte i båda formuleringarna eller så är den ena typen mer effektiv än den andra.

Lovande nytt material syntetiserat

Det är möjligt att bygga effektiva termoelektriska enheter med bara en p-typ eller n-typ förening, men det är lättare att designa en enhet som innehåller båda typerna; Ren sa att den bästa prestandan skulle komma när båda typerna uppvisar liknande egenskaper.

Forskarna syntetiserade ett av de förutsagda materialen, en zirkonium-kobolt-vismut-förening, och rapporterade en uppmätt värme-till-el-omvandlingseffektivitet på 10,6 % på båda den kalla sidan, cirka 303 Kelvin, eller cirka 86 grader Fahrenheit, och den heta sidan, cirka 983 Kelvin (1, 310 Fahrenheit) för både p-typen och n-typen.

Jun Mao, en postdoktor vid UH och en första författare till rapporten, sa att de bestämde att den asymmetriska prestandan hos vissa material är kopplad till det faktum att laddningen rör sig i olika hastigheter i de två typerna av formulering. "Om laddningsrörelsen för både den positiva laddningen, för p-typ, och den negativa laddningen, för n-typ, är liknande, den termoelektriska prestandan för båda typerna är liknande, " han sa.

Veta att, de kunde använda mobilitetsförhållandet för att förutsäga prestandan hos tidigare ostuderade formuleringar.

"När den termoelektriska prestandan för en typ av ett material har studerats experimentellt, medan den andra typen ännu inte har undersökts, det är möjligt att förutsäga ZT genom att använda det identifierade förhållandet mellan asymmetri och viktat mobilitetsförhållande, " skrev forskarna. ZT, eller förtjänstsiffran, är ett mått som används för att bestämma hur effektivt ett termoelektriskt material omvandlar värme till elektricitet.

Ny modell förutsäger mycket effektiva material

Hangtian Zhu, en postdoktor vid UH och rapportens andra första författare, sa att nästa steg är att bestämma hur man formulerar motsvarande typ av material, när ett material med hög effektivitet i antingen p-typ eller n-typ hittas.

Det kan kräva experiment för att bestämma det bästa dopmedlet – forskare justerar prestandan genom att lägga till en liten mängd av ett extra element till föreningen, känd som "dopning" - för att förbättra prestanda, sa Zhu.

Det är där den nya förståelsen av asymmetrisk prestanda kommer in. Zhu sa genom att förutsäga vilka föreningar som kommer att ha hög prestanda i båda typerna, forskare uppmuntras att fortsätta leta efter den bästa kombinationen, även om tidiga ansträngningar inte lyckades.