Termoelektriska material kan spela en viktig roll i omställningen av ren energi, eftersom de kan producera el från värmekällor som annars skulle gå till spillo utan att generera ytterligare växthusgaser eller kräva stora investeringar i förväg. Men deras löfte har bromsats av det faktum att de flesta nuvarande termoelektriska material inte effektivt producerar tillräckligt med ström för att vara användbara för många praktiska tillämpningar.
Sökandet efter nya, mer effektiva material som involverar komplexa kemiska sammansättningar har varit arbetskrävande och krävt experimentell testning av varje föreslagen ny multimaterialsammansättning, och har ofta involverat användningen av giftiga eller sällsynta grundämnen. I en artikel publicerad i tidskriften Science , rapporterar forskare från University of Houston och Rice University ett nytt tillvägagångssätt för att förutsäga förverkligandet av bandkonvergens i en serie material.
Efter att ha visat att ett så utformat material, en Zintl-förening av p-typ, skulle erbjuda högeffektiv termoelektrisk prestanda, tillverkade de en termoelektrisk modul och rapporterade en värme-till-el-konverteringseffektivitet som översteg 10 % vid en temperaturskillnad på 475 Kelvin, eller cirka 855 grader Fahrenheit.
Zhifeng Ren, chef för Texas Center for Superconductivity vid UH (TcSUH) och motsvarande författare för tidningen, sa att materialens prestanda förblev stabila i mer än två år.
Även om en mängd olika tillvägagångssätt har använts för att förbättra effektiviteten, har ett koncept som kallas elektronisk bandkonvergens fått uppmärksamhet för sin potential att förbättra termoelektrisk prestanda.
"Det är normalt svårt att få hög prestanda från termoelektriska material eftersom inte alla elektroniska band i ett material bidrar," sa Ren. "Det är ännu svårare att göra ett komplext material där alla band jobbar samtidigt för att få bästa prestanda."
För detta arbete, sa han, fokuserade forskarna först på att ta fram en beräkning för att bestämma hur man bygger ett material där alla olika energiband kan bidra till den övergripande prestandan. De visade sedan att beräkningen fungerade i praktiken såväl som i teorin, och byggde en modul för att ytterligare verifiera den erhållna höga prestandan på enhetsnivå.
Bandkonvergens anses vara ett bra tillvägagångssätt för att förbättra termoelektriska material eftersom det ökar den termoelektriska effektfaktorn, som är relaterad till den faktiska uteffekten från den termoelektriska modulen. Men fram till nu har det varit tidskrävande att upptäcka nya material med stark bandkonvergens och resulterat i många tjuvstarter.
"Standardmetoden är trial and error", säger Ren, som också är Paul C.W. Chu och May P. Chern Endowed Chair i Condensed Matter Physics vid UH. "Istället för att göra en massa experiment tillåter den här metoden oss att eliminera onödiga möjligheter som inte ger bättre resultat."
För att effektivt förutsäga hur man skapar det mest effektiva materialet använde forskarna en Zintl-legering med hög entropi, YbxCa1-x MgyZn2-y Sb2 , som en fallstudie, design av en serie kompositioner genom vilka bandkonvergens uppnåddes samtidigt i alla kompositionerna.
Ren beskrev hur det fungerar så här:Om ett team på 10 personer försöker lyfta ett föremål kommer de längre medlemmarna att bära det mesta av lasten medan de kortare medlemmarna inte bidrar lika mycket. I bandkonvergens är målet att göra alla bandmedlemmar mer lika – långa bandmedlemmar skulle vara kortare i det här exemplet och korta medlemmar längre – så att alla kan bidra till att bära den totala belastningen.
Här började forskarna med fyra moderföreningar innehållande fem grundämnen totalt - ytterbium, kalcium, magnesium, zink och antimon - som körde beräkningar för att bestämma vilka kombinationer av moderföreningarna som kunde nå bandkonvergens. När det väl var fastställt valde de den bästa bland dessa högpresterande kompositioner för att konstruera den termoelektriska enheten.
"Utan den här metoden skulle du behöva experimentera och prova alla möjligheter", säger Xin Shi, en UH-student i Rens grupp och huvudförfattare på tidningen. "Det finns inget annat sätt du kan göra det. Nu gör vi en beräkning först, vi designar ett material och gör det sedan och testar det."
Beräkningsmetoden skulle också kunna användas för andra flersammansatta material, vilket gör det möjligt för forskare att använda denna metod för att skapa nya termoelektriska material. När de rätta moderföreningarna har identifierats bestämmer beräkningen vilket förhållande av varje som ska användas i den slutliga legeringen.
Utöver Ren och Shi inkluderar uppsatsens författare Dr Shaowei Song, en forskare vid Texas Center for Superconductivity, och Dr Guanhui Gao från Institutionen för materialvetenskap och nanoteknik vid Rice. Gao är nu på UH.
Mer information: Xin Shi et al, Global bandkonvergensdesign för högpresterande termoelektrisk kraftgenerering i Zintls, Science (2024). DOI:10.1126/science.adn7265
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av University of Houston
