Termoelektrisk (TE) konvertering erbjuder kolfri kraftgenerering från geotermisk, avfall, kropps- eller solvärme, och visar löfte om att bli nästa generations energiomvandlingsteknik. Kärnan i en sådan TE-omvandling, det finns en helt termoelektrisk anordning i fast tillstånd som möjliggör energiomvandling utan att avge buller, vibrationer, eller föroreningar. Till detta, ett POSTECH-forskarlag föreslog ett sätt att designa nästa generations termoelektriska anordning som uppvisar anmärkningsvärt enkel tillverkningsprocess och struktur jämfört med de konventionella, samtidigt som den visar förbättrad energiomvandlingseffektivitet med hjälp av spin Seebeck -effekten (SSE).

Ett POSTECH gemensamt forskarlag – ledd av professor Hyungyu Jin och Ph.D. kandidat Min Young Kim från institutionen för maskinteknik med professor Si-Young Choi från institutionen för materialvetenskap och teknik – har lyckats designa en högeffektiv termoelektrisk enhet genom att optimera egenskaperna hos både insidan och ytan av det magnetiska materialet som gör upp SSE -termoelektriska enheten. Detta är en banbrytande studie för att visa möjligheten att tillverka en nästa generations termoelektriska enhet genom att använda SSE, som har funnits kvar i grundforskningen. Dessa forskningsresultat publicerades nyligen i onlineutgåvan av Energi- och miljövetenskap , en internationell akademisk tidskrift inom energiområdet.

Konventionella TE-enheter förlitar sig på laddningen Seebeck-effekten, en termoelektrisk effekt där en laddningsström genereras i riktningen parallell med en applicerad temperaturgradient i ett fast material. Denna longitudinella geometri komplicerar anordningsstrukturen och begränsar tillverkningen av sådana TE-anordningar.

Forskargruppen tillverkade en nickelferrit (NFO) - platina (Pt) dubbelskikts SSE-enhet genom att tänka utanför ramarna - de insåg att enhetens struktur kan göras mycket enklare genom att använda den tvärgående TE-effekten där en laddningsström genereras i riktningen vinkelrätt mot den applicerade temperaturgradienten. När en temperaturgradient appliceras i enhetens höjdriktning, spinnströmmen som genereras i det magnetiska NFO-materialet överförs till gränssnittet mellan NFO och Pt, injiceras i Pt, sedan omvandlas till en elektrisk ström inuti Pt. Den ström som genereras vid denna tidpunkt flyter i en riktning vinkelrät mot den applicerade temperaturgradienten. Genom att använda denna SSE, det är möjligt att konstruera en enhetsstruktur som är enklare och lättare att skala upp jämfört med konventionella termoelektriska enheter.

För att använda SSE-enheten, det kräver en dramatisk förbättring av struktur och effektivitet. Till detta, forskargruppen utarbetade en enkel värmebehandlingsmetod för att förbättra effektiviteten hos den NFO-Pt termoelektriska enheten. Det upptäcktes genom en observation med en sveptransmissionselektronmikroskopi, att en unik mikrostruktur kan bildas inuti NFO-materialet genom att värma det vid en hög temperatur på 1200°C eller högre under en viss tid, sedan värme vid en högre temperatur under en viss tid sedan kylning. Dessutom, laget bekräftade också att samma värmebehandlingsteknik också kan avsevärt förbättra kvaliteten på gränssnittet mellan NFO och Pt. Till sist, det visades att dessa två effekter avsevärt kan förbättra enhetens termoelektriska effektivitet.

"I den här studien, vi har förklarat och presenterat principerna bakom tillverkningen av nästa generations TE-enhet med en mycket enklare struktur än konventionella med SSE och en metod som dramatiskt kan förbättra dess effektivitet genom en enkel värmebehandlingsteknik, " kommenterade professor Hyungyu Jin som ledde studien. Han tillade, "Om detta leder till utvecklingen av högeffektiva TE-enheter i framtiden, det visar ett löfte om att i slutändan bidra till att mildra både energi- och klimatutmaningar."