Den fortsatta utarmningen av fossilbränslebaserade energiresurser leder oss mot en växande energikris. Följaktligen har detta satt igång ett sökande efter hållbara alternativa resurser. Termoelektrisk energiomvandling - en process för att generera elektricitet från spillvärme - har tagit fart som nästa potentiella energiutvinningsteknik. Generatorer gjorda av termoelektriska material används för att skörda termisk energi via "Seebeck-effekten". Temperaturskillnaden i det termoelektriska materialet skapar ett flöde av laddningsbärare som genererar elektrisk energi.

För effektiv omvandling måste ett termoelektriskt material ha en hög omvandlingseffektivitet (ZT), vilket kräver en hög Seebeck-koefficient (S), en hög elektronisk konduktivitet (σ) och en låg värmeledningsförmåga (κ). Materialet tennselenid (SnSe) är känt för att uppvisa en rekordhög ZT i sin enkristallform. Men prestandan försämras i praktiska polykristaller på grund av ett lågt σ och ett högt κ.

I en nyligen publicerad studie publicerad i Advanced Science , ett team av forskare från Japan, ledd av docent Takayoshi Katase från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) lyckades förbättra ZT av polykristallint SnSe genom att demonstrera ett högt σ och ett lågt κ samtidigt. Teamet uppnådde detta anmärkningsvärda genombrott genom att introducera tellur (Te)-joner i SnSe-strukturen.

Det fanns dock en hake. Lösligheten av Te ^2- joner i Se ^2- platsen för SnSe är extremt låg under termisk jämvikt på grund av en storleksmissanpassning mellan de två jonerna, vilket allvarligt begränsar jonsubstitutionen. Teamet tacklade denna utmaning genom att anta en tvåstegs icke-jämviktstillväxtprocess, som gjorde det möjligt för dem att öka Te ^2- koncentrationsgräns x upp till 0,4 i Sn(Se_1-x Te_x ) bulkkristaller.

"Att lägga till en jon med samma valenstillstånd ökar vanligtvis inte bärarkoncentrationen i joniska halvledare. Men i vårt fall ersätter Te ^2- joner vid Se ^2- plats i SnSe ökade bärarkoncentrationen med tre storleksordningar, vilket ledde till en hög σ. Dessutom minskade Te-jonsubstitutionen drastiskt κ till mindre än en tredjedel av dess värde vid rumstemperatur", säger Dr. Katase.

Det har funnits två huvudstrategier för att uppnå den höga σ och den låga κ i SnSe-polykristaller. Den ena är att tillsätta joner med ett annat valenstillstånd, såsom alkalijoner, för att öka bärarkoncentrationen. En annan är att kontrollera föroreningssegregeringen för fononspridning. Således är många komplikationer involverade i syntesen av högpresterande polykristallint SnSe.

Teamet visade dock att isovalent Te-jonsubstitution ökar σ och minskar κ, samtidigt. Hur? Teamet genomförde första principberäkningar för att klargöra mekanismen bakom förbättringen av ZT. Beräkningarna visade att den stora Te-jonen i SnSe bildade svaga Sn-Te-bindningar. Denna Sn-Te-bindning kan lätt dissocieras och en hög täthet av Sn-vakanser bildas i strukturen, vilket leder till en hög hålkoncentration. Dessutom minskar de svaga Sn-Te-bindningarna fononfrekvensen (frekvensen av gittervibrationer) och förbättrar fononspridningen, vilket resulterar i den låga κ.

Studien presenterar således en ny metod för att lägga till stora joner bortom deras jämviktsgränser, vilket kan vägleda framtida studier om att optimera de elektroniska och termiska egenskaperna hos termoelektriska SnSe-polykristaller. "Vi tror att våra resultat skulle bana väg för högpresterande, praktiska termoelektriska material", säger Dr. Katase.

Vi hoppas verkligen att hans vision inte är alltför långt ifrån att förverkligas. + Utforska vidare

Byte av flera halvledartyper för att öka termoelektrisk omvandling av spillvärme