Att samla energi från spillvärme från miljön, som den som förloras från människokroppen, är en attraktiv möjlighet att driva små elektronik på ett hållbart sätt. En termocell är en typ av energiskördande anordning som omvandlar miljövärme till elektricitet genom den termiska laddningseffekten.

Även om termoceller är billiga och effektiva, Hittills har endast låga utspänningar – bara tiotals millivolt (mV) – uppnåtts och dessa spänningar beror också på temperaturen.

Dessa nackdelar måste åtgärdas för att termoceller ska kunna driva elektronik på ett tillförlitligt sätt och bidra till utvecklingen av ett hållbart samhälle.

Ett forskningsteam som leds av University of Tsukuba förbättrade nyligen termocellers energiskördande prestanda, att föra denna teknik ett steg närmare kommersialisering. Deras resultat publiceras i Vetenskapliga rapporter ("Energy harvesting thermocell with use of phase transition").

Teamet utvecklade en termocell som innehöll ett material som uppvisade en temperaturinducerad fasövergång av dess kristallstruktur. Strax över rumstemperatur, atomerna i detta fasta material omarrangerades för att bilda en annan kristallstruktur. Denna fasövergång resulterade i en ökning av utspänningen från noll till cirka 120 mV, representerar en avsevärd prestandaförbättring jämfört med befintliga termoceller.

"Den temperaturinducerade fasövergången av vårt material fick dess volym att öka, " förklarar professor Yutaka Moritomo, senior författare till studien. "Detta i sin tur höjde termocellens utspänning."

Forskarna kunde finjustera fasövergångstemperaturen för sitt material så att det låg strax över rumstemperatur. När en termocell innehållande detta material värmdes över denna temperatur, materialets fasövergång inducerades, vilket ledde till en kraftig ökning av utspänningen från noll vid låg temperatur till cirka 120 mV vid 50 °C.

Förutom att ta itu med problemet med låg utspänning, termocellen innehållande fasövergångsmaterialet övervann också problemet med en temperaturberoende utspänning. Eftersom ökningen av termocellens utspänning som inducerades av den termiska fasövergången var mycket större än de temperaturberoende fluktuationerna i utspänningen, dessa fluktuationer kan ignoreras.

"Våra resultat tyder på att termocellens prestanda kan förstärkas kraftigt genom att inkludera ett material som uppvisar en fasövergång vid en lämplig temperatur, ", säger professor Moritomo. "Detta koncept är ett attraktivt sätt att förverkliga mer effektiva energiskördande enheter."

Forskargruppens design som kombinerar termocellteknologi med ett lämpligt anpassat fasövergångsmaterial leder till ökad förmåga att skörda spillvärme för att driva elektronik, vilket är en miljömässigt hållbar process. Denna design har potential att tillhandahålla oberoende strömförsörjning för avancerad elektronik.