Termoelektriska material kan använda termiska skillnader för att generera elektricitet. Nu finns det ett billigt och miljövänligt sätt att tillverka dem med de enklaste verktygen:en penna, kopieringspapper, och ledande färg. Dessa är tillräckliga för att omvandla en temperaturskillnad till elektricitet via den termoelektriska effekten, som nu har demonstrerats av ett team på Helmholtz-Zentrum Berlin.

Den termoelektriska effekten upptäcktes för nästan 200 år sedan av Thomas J. Seebeck. Om två metaller med olika temperatur förs samman, de kan utveckla en elektrisk spänning. Denna effekt gör att restvärme delvis kan omvandlas till elektrisk energi. Restvärme är en biprodukt av nästan alla tekniska och naturliga processer, såsom i kraftverk och hushållsapparater, för att inte tala om människokroppen. Det är också en av de mest underutnyttjade energikällorna i världen.

Liten effekt

Dock, hur användbar effekt det än är, den är extremt liten i vanliga metaller. Detta beror på att metaller inte bara har hög elektrisk ledningsförmåga, men också hög värmeledningsförmåga, så att temperaturskillnader försvinner omedelbart. Termoelektriska material måste ha låg värmeledningsförmåga trots sin höga elektriska ledningsförmåga. Termoelektriska enheter gjorda av oorganiska halvledarmaterial som vismuttellurid används redan idag i vissa tekniska tillämpningar. Dock, sådana materialsystem är dyra och deras användning lönar sig bara i vissa situationer. Forskare undersöker om flexibel, ogiftiga organiska material baserade på kolnanostrukturer, till exempel, kan också användas i människokroppen.

Teamet som leds av prof. Norbert Nickel vid HZB har nu visat att effekten kan uppnås mycket enklare – med en vanlig penna av HB-klass, de täckte ett litet område med penna på vanligt kopieringspapper. Som ett andra material, de tillämpade en transparent, ledande sampolymerfärg (PEDOT:PSS) till ytan.

Blyertsspåren på pappret gav en spänning som var jämförbar med andra mycket dyrare nanokompositer som för närvarande används för flexibla termoelektriska element. Och denna spänning kan höjas tio gånger genom att tillsätta indiumselenid till grafiten från pennan.

Forskarna undersökte grafit- och sampolymerbeläggningsfilmer med hjälp av ett svepelektronmikroskop och Raman-spridning vid HZB. "Resultaten var mycket överraskande för oss också, " säger Nickel. "Men vi har nu hittat en förklaring till varför det här fungerar så bra - pennavlagringen som finns kvar på pappret bildar en yta som kännetecknas av oordnade grafitflingor, lite grafen, och lera. Även om detta bara minskar den elektriska ledningsförmågan, värme transporteras mycket mindre effektivt."

Dessa enkla beståndsdelar kan vara användbara i framtiden för att skriva ut extremt billiga, miljövänlig, och giftfria termoelektriska komponenter på papper. Sådana små och flexibla komponenter kan också användas direkt på kroppen och kan använda kroppsvärme för att styra små enheter eller sensorer.