Распространение термоэлектрических устройств, способных преобразовывать электрическую энергию в тепловую для охлаждения и нагрева, затрудняется недостатком доступных и эффективных при комнатной температуре материалов.
Учёные из Университета Хьюстона и Массачусетского технологического института обнаружили новый материал, эффективно функционирующий при обычной температуре без необходимости значительного количества теллура, используемого в современных аналогах.
Статья, опубликованная на сайте Science 18 июля, описывает работу, которая может быть использована для защиты электронных устройств, транспорта и других компонентов от перегрева. Об этом заявил Чжифэн Жэнь, соответствующий автор работы и директор Техасского центра сверхпроводимости в UH, где также является профессором физики М. Д. Андерсона.
«Разработанный нами новый материал недорог, но по качеству почти не уступает традиционному, более дорогостоящему варианту,» — отметил Рен. Учёные считают, что дальнейшие исследования смогут уменьшить существующее различие в производительности между новым материалом и традиционным сплавом на основе висмута-теллура.
Термоэлектрические материалы перенаправляют тепло от горячих зон в холодные, а термоэлектрические охладители используют эффект Пельтье для передачи тепла через два электронных соединения.
Термоэлектрические материалы способны преобразовывать отработанное тепло электростанций, выхлопных труб автомобилей и других источников в электричество. Для этого применяются новые материалы, функционирующие при более высоких температурах.
Термоэлектрические охлаждающие модули создают трудности из-за необходимости функционировать при пониженных температурах, где коэффициент термоэлектрической эффективности, или ZT, снижается, так как он взаимосвязан с температурой. Коэффициент ZT служит показателем для оценки работоспособности термоэлектрического материала.
Несмотря на сложность задачи, коммерческий потенциал термоэлектрических охлаждающих модулей в настоящее время выше, отчасти благодаря их возможности функционировать длительный срок при низких температурах. Термоэлектрическая выработка энергии осложняется проблемами, связанными с высокими рабочими температурами, такими как окисление и термическая нестабильность.
В 2018 году мировой рынок термоэлектрических модулей оценивался в около 0,6 миллиарда долларов США, а к 2027 году может вырасти до 1,7 миллиарда долларов США.
Сплавы висмут-теллур долгое время считались самым эффективным материалом для термического охлаждения, однако высокая цена теллура ограничивала его широкое применение. Цзюнь Мао, постдокторский исследователь из UH и автор статьи, отметил, что цена теллура недавно снизилась, но всё ещё составляет около 50 долларов за килограмм. Это примерно в 6 раз дороже магния, основного компонента нового материала.
К Рену и Мао добавились Хангтян Чжу, Зиханг Лю и Гитал Амила Гамаж — все с физических факультетов UH и TcSUH, а также Живей Дин и Ган Чен из машиностроительного факультета Массачусетского института Технология.
В нем сообщили о новом материале из магния и висмута, имеющем отрицательный заряд (n-тип). Он оказался почти таким же эффективным, как традиционный материал висмут-теллур. Благодаря более низкой стоимости это должно расширить применение термоэлектрических модулей для охлаждения.
Для изготовления термоэлектрического модуля из нового материала исследователи соединили его с традиционным сплавом висмут-теллур положительной зарядности, или p-типом. Это дало возможность сократить количество теллура в два раза по сравнению с большинством современных модулей.
Говорит, что, так как материалы стоят примерно треть от общей цены прибора, это выгодно.
В исследовании сообщается о том, что новый материал лучше большинства наноструктурированных материалов поддерживает электрический контакт.