Det intensiva intresset för att utvinna energi från värmekällor har lett till en förnyad satsning på att upptäcka material som mer effektivt kan omvandla värme till el. Vissa forskare hittar dessa vinster genom att omdesigna material som forskare har arbetat med i flera år.

Ett team av forskare från Boston College och MIT rapporterar att de har utvecklat en roman, nanoteknologisk design som ökar den termoelektriska prestandan hos en bulklegeringshalvledare med 30 till 40 procent över dess tidigare uppnådda meritvärde, mätstaven för omvandlingseffektivitet i termoelektrik.

Legeringen i fråga, Kiselgermanium, har värderats för sin prestanda i termoelektriska applikationer med hög temperatur, inklusive dess användning i radioisotop termoelektriska generatorer på NASA flyguppdrag. Men bredare tillämpningar har begränsats på grund av dess låga termoelektriska prestanda och den höga kostnaden för Germanium.

Boston College professor i fysik Zhifeng Ren och doktorandforskaren Bo Yu, och MIT-professorerna Gang Chen och Mildred S. Dresselhause och postdoktorand Mona Zebarjadi, rapportera i journalen Nanobokstäver att ändra designen av bulk SiGe med en process lånad från tunnfilmshalvledarindustrin bidrog till en mer än 50 procents ökning av elektrisk ledningsförmåga.

Processen, känd som en 3D-modulationsdopningsstrategi, lyckades skapa en solid state-enhet som uppnådde en samtidig minskning av värmeledningsförmågan, vilket kombinerat med konduktivitetsvinster för att ge ett högt meritvärde på ~1,3 vid 900 °C.

"Att förbättra ett materials meritvärde är extremt utmanande eftersom alla interna parametrar är nära relaterade till varandra, " sa Yu. "När du ändrar en faktor, de andra kan med största sannolikhet förändras, leder till ingen nettoförbättring. Som ett resultat, en mer populär trend inom detta studieområde är att undersöka nya möjligheter, eller nya materialsystem. Vår studie visade att det fortfarande finns möjligheter för de befintliga materialen, om man kunde arbeta tillräckligt smart för att hitta några alternativa materialdesigner."

Ren påpekade att de prestandavinster som laget rapporterade konkurrerar med de senaste n-typ SiGe-legeringsmaterialen, med en avgörande skillnad att lagets design kräver användning av 30 procent mindre germanium, som utgör en utmaning för energiforskningen på grund av dess höga kostnad. Att sänka kostnaderna är avgörande för ny ren energiteknik, noterade han.

"Att använda 30 procent mindre germanium är en betydande fördel för att minska tillverkningskostnaderna, " sa Ren. "Vi vill att allt material som vi studerar i gruppen ska hjälpa till att ta bort kostnadsbarriärer. Detta är ett av våra mål för den dagliga forskningen."

Samarbetet mellan Ren och MIT:s Chen har gett flera genombrott inom termoelektrisk vetenskap, speciellt vid kontroll av fonontransport i termoelektriska bulkkompositmaterial. Teamets forskning finansieras av Solid State Solar Thermal Energy Conversion Center.