Новый и чрезвычайно эффективный термоэлектрический материал позволит вернуть назад тепловые потери - «Наука и технологии»

Ученые и инженеры из Северо-Западного университета нашли новый материал, который является самым эффективным термоэлектрическим материалом на сегодняшний день. У этого материала, специальной поликристаллической формы очищенного селенида олова имеется целый ряд свойств, благодаря которым его можно использовать в практических целях для преобразования в электричество тепловой энергии, сбрасываемой обычно в окружающую среду.

Термоэлектрические материалы вырабатывают электрический ток за счет температурного градиента. Нагрев одной стороны материала приводит к тому, что электроны начинают перемещаться от нагретой стороны к более холодной стороне, производя в этом процессе электрический ток. Такая технология может быть использована для возврата тепловой энергии, которая выбрасывается в окружающую среду тепловыми электростанциями, электроникой, двигателями внутреннего сгорания и массой других вещей.

Для того, чтобы выжать из термоэлектрического материала максимальную эффективность, необходимо найти материал, обладающий рядом специфических свойств. Материал должен иметь высокую электропроводность, но низкую теплопроводность для того, чтобы электроны могли беспрепятственно перемещаться через материал, а разница температурного градиента оставалась бы неизменной. Кроме этого, материал должен иметь высокое значение так называемого коэффициента Зеебека (Seebeck coefficient), который определяет количество вырабатываемого материалом электричества от определенного температурного градиента. И, кроме всего этого, сам материал должен быть устойчив к воздействию высокой температуры.

Все вышеперечисленные свойства сводятся к одному показателю, "показателю качества термоэлектрического материала" ZT. Около десятилетия назад были известны материалы со значением ZT меньше единицы. К 2012 году были найдены материалы с ZT, равным 2.2, а позже 2.7. Значение ZT для нового материала равно 3.1, что делает этот материал самым эффективным на сегодняшний день.

Упомянутая выше группа ученых уже работала некоторое время с селенидом олова. Монокристаллическая форма этого материала продемонстрировала значение ZT, равное 2.6. Однако, такая форма материала является очень хрупкой и не годилась для практического применения, поэтому ученые начали исследовать поликристаллические формы этого же материала.

Когда ученые впервые провели исследования поликристаллической формы селенида олова, они обнаружили, что этот материал имеет высокую теплопроводность, сводящую на нет термоэлектрический эффект. Более тщательные исследования показали, что "виновником торжества" является тонкий слой окисленного олова, формирующийся на поверхности материала. После того, как ученые произвели дополнительную очистку материала и удалили окислы с его поверхности, то значение ZT повысилось до 3.1.

"Появление такого материала открывает путь к созданию термоэлектрических устройств, в составе которых будут находиться элементы из поликристаллической формы очищенного селенида олова" - пишут исследователи, - "К сожалению, такие устройства никогда не обретут широкую популярность, как солнечные батареи, к примеру. Однако, в некоторых областях такие устройства могут стать той палочкой-выручалочкой, которая позволит собрать и вернуть назад дефицитную энергию, увеличивая общую эффективность какой-либо установки или механизма".