Maskiningenjörer vid University of California, Riverside, har rapporterat framgångar med att använda billiga material för att producera termoelektriska apparater som omvandlar låg nivå spillvärme till elektricitet.

Deras framsteg kan möjliggöra en mängd olika kommersiella applikationer. Till exempel, integrering av termoelektriska genereringsanordningar i datorchips kan göra det möjligt för värmen som de producerar att ge en strömkälla. Spillvärme från bilmotorer kan köra bilens elektronik och ge kylning. Fotovoltaiska solceller skulle kunna göras mer effektiva genom att utnyttja värmen från solljus som träffar dem för att generera mer elektricitet.

Också, använder samma grundteknik, ekonomiska termoelektriska kylskåp skulle kunna produceras som skulle vara mer energieffektiva och med färre rörliga delar än kylskåp som använder kompressorer och kylvätska. Nuvarande termoelektriska kylskåp är dyra och relativt ineffektiva. I huvudsak, de fungerar i motsats till termoelektriska generatorer, med en elektrisk ström applicerad för att generera en temperaturgradient som kan användas vid kylning.

Även om termoelektriska generatorer har varit mycket pålitliga - till exempel drivit rymdsonder som rymdfarkosten Voyager i årtionden - har deras användning begränsats av kostnaden och komplexiteten hos de material de krävde.

Dock, forskare under ledning av biträdande professor i maskinteknik Sandeep Kumar, har rapporterat uppnå betydande termoelektrisk energiomvandling med en kombination av en nickel-järnlegering och kisel. Den vetenskapliga artikeln om deras resultat publicerades nyligen online i tidskriften Physica Status Solidi- Rapid Research Letters. Medförfattare till uppsatsen var forskarstuderande Ravindra Bhardwaj och Paul Lou.

I deras experiment, forskarna konstruerade en supertunn två-lager smörgås av nickel-järn Permalloy och en form av kisel som kallas p-typ kisel. Permalloyskiktet var 25 nanometer tjockt, och forskarna producerade enheter där kiselskiktet hade tjocklekar på 100 nanometer, 25 nanometer och 5 nanometer. Som jämförelse, ett människohår är cirka 200 mikron tjockt.

När forskarna applicerade värme på Permalloy -lagret, de kunde producera en elektrisk spänning i mackan, på grund av ett nyligen upptäckt fysiskt fenomen som kallas spin-Seebeck-effekten. I denna effekt, en temperaturgradient genererar en spinnström från den ferromagnetiska substansen, producerar en elektrisk spänning i kislet. Den förbättrade spänningen som producerades i enheten berodde på en mekanism som kallades "Rashba spin-orbit coupling".

Forskarna uppnådde en av de största sådana spänningar som uppmätts i enheten med det 5 nanometer tjocka kiselskiktet.

"Sådana enheter kommer att kunna generera elektricitet i alla situationer där det finns små temperaturhöjningar, "sa Kumar." För, exempel, ett datorchip värms vanligtvis upp till cirka sextio grader Celsius, medan omgivande temperatur kan vara tjugofem grader. Så, sådana centrifugerade termoelektriska generatorer integrerade i datorchips skulle kunna generera betydande mängder el från värme som annars skulle gå till spillo. "

"Också, solcellspaneler blir ganska varma, så att integrering av termoelektriska generatorer i sådana paneler kan generera ytterligare el från den spillvärmen, "sa han." Termoelektriska generatorer kan också integreras i bilar, där motortemperaturen kan nå hundra grader Celsius, jämfört med en omgivningstemperatur på tjugofem grader. I en sådan applikation kan den genererade elektriciteten driva bilens elektronik och till och med ge kyla."

De senaste experimenten utgör bara början på utvecklingen av den nya termoelektriska tekniken, sa Kumar, som tillade att ett provisoriskt patent för upptäckten har lämnats in.

"Vi har precis skrapat på möjligheterna, "sa han." Vi tror att vi kan generera ännu mer energi från samma temperaturgradient genom att använda flera lager, precis som att sätta ihop batterier ökar energiuttaget. Och, vi utforskar andra jordmåner, billiga material som kan visa sig vara effektiva i centrifugerade termoelektriska enheter. "

Titeln på uppsatsen är "Giant enhancement in Rashba spin-Seebeck effect in NiFe/p-Si thin films."