Sökandet efter termoelektrik, exotiska material som omvandlar värme direkt till elektricitet, har fått ett uppsving från forskare vid California Institute of Technology och University of Tokyo, som har hittat det bästa sättet att identifiera dem.

I den nya open access-journalen APL-material , teamet visar att en relativt enkel teknik som kallas "rigid band approximation" kan förutsäga ett material egenskaper mer exakt än ett konkurrerande, mer komplicerad metod.

"Den stela bandstrategin ger fortfarande det enkla, prediktiva ingenjörskoncept vi behöver för att upptäcka fruktbara termoelektriska materialsammansättningar, " säger G. Jeffrey Snyder, en Caltech-fakultetsassistent i materialvetenskap, som ledde forskningen.

Termoelektrik har använts sedan 1950-talet för att driva rymdfarkoster genom att omvandla värmen från radioaktivt sönderfall till elektricitet. Deras ovanliga egenskaper härrör från komplexa interaktioner mellan de många elektroner som är associerade med atomerna i legeringar av tungmetaller som bly, vismut, tellur och antimon.

Utan rörliga delar, termoelektriska generatorer är tysta och extremt pålitliga, kräver minimalt underhåll. Dock, generatorerna är relativt ineffektiva (vanligtvis mindre än 10 procent) och materialen som behövs för att bygga dem är dyra - faktorer som har förhindrat deras utbredda användning och begränsat termoelektrik till nischapplikationer som rymdfarkoster eller vinkylskåp.

På senare år har dock, behovet av ökad energieffektivitet och icke-kolbaserad elproduktion har väckt ett nytt intresse för termoelektrik. Med förbättringar, forskare tror att materialen kan generera billig el från annars bortkastad värme som produceras av motorer och fabriksugnar.

"Om vi ​​kunde fördubbla deras effektivitet, då kan termoelektriska moduler inbyggda i en bilmotors avgassystem generera tillräckligt med kraft för att ersätta generatorn, vilket skulle öka bilens bensinkörning, sa Snyder.

Utmaningen för forskare är att välja legeringskompositioner, kristallstorlekar och tillsatser, (även kallade dopämnen), vilket skulle ge hög termoelektrisk verkningsgrad. Med ett uttömmande antal möjliga kombinationer att välja mellan, forskare använder teoretiska beräkningar för att vägleda deras sökande efter lovande material. Materialens extrema komplexitet, dock, kräver att teoretiker gör olika antaganden som var och en har lett till olika tillvägagångssätt.

Det vanligaste tillvägagångssättet är approximationen av "styva band", som ger en relativt enkel modell av ett material elektroniska struktur, och den mer komplexa "supercell"-metoden, vilket ger en detaljerad bild av dess idealiska atomarrangemang. Vissa forskare har sagt att den stela bandmetoden är för enkel och felaktig för att vara användbar.

Snyders team rapporterade precis det motsatta resultatet. Deras beräkningar visade att den stela bandmetoden faktiskt var mer exakt än supercellmetoden för att förutsäga de observerade egenskaperna hos en populär termoelektrisk – blytellurid – dopad med en liten mängd natrium, kalium eller tallium.

"Supercells tillvägagångssätt är korrekta för mycket specifika dopningsfall, men de tar inte hänsyn till de olika defekterna som finns i verkliga material, " sa Snyder. Genom att använda den enklare modellen med stela band, han lade till, forskare borde snabbare kunna identifiera lovande nya och mer effektiva termoelektriska kompositioner.