Широкому распространению термоэлектрических устройств, которые могут напрямую преобразовывать электричество в тепловую энергию для охлаждения и нагрева, отчасти препятствует отсутствие материалов, которые являются недорогими и высокоэффективными при комнатной температуре.
Теперь исследователи из Хьюстонского университета и Массачусетского технологического института сообщили об открытии нового материала, который эффективно работает при комнатной температуре и почти не требует дорогостоящего теллура, основного компонента современного современного материала.
Работа, описанная в статье, опубликованной на сайте Science в четверг, 18 июля, имеет потенциальное применение для защиты электронных устройств, транспортных средств и других компонентов от перегрева, сказал Чжифэн Рен, автор-корреспондент о работе и директор Техасского центра сверхпроводимости в UH. , где он также M.D. Андерсон профессор физики.
«Мы изготовили новый материал, который стоит недорого, но по своим характеристикам почти не уступает традиционному и более дорогому материалу», – сказал Рен. Исследователи говорят, что будущая работа может закрыть небольшой разрыв в производительности между их новым материалом и традиционным материалом, сплавом на основе висмута и теллура.
Термоэлектрические материалы работают, используя поток тепла из более теплой области в более прохладную область, а термоэлектрические охлаждающие модули работают в соответствии с эффектом Пельтье, который описывает передачу тепла между двумя электрическими соединениями.
Термоэлектрические материалы также могут использоваться для превращения отработанного тепла – от электростанций, автомобильных выхлопных труб и других источников – в электричество, и сообщалось о ряде новых материалов для этого применения, которое требует, чтобы материалы работали при гораздо более высоких температурах.
Термоэлектрические охлаждающие модули представляют собой серьезную проблему, потому что они должны работать при более низких температурах, когда термоэлектрическая добротность, или ZT, низкая, потому что она зависит от температуры.
Добротность – это показатель, используемый для определения того, насколько эффективно работает термоэлектрический материал.
Несмотря на эту проблему, термоэлектрические охлаждающие модули также, по крайней мере на данный момент, предлагают больший коммерческий потенциал, отчасти потому, что они могут работать в течение длительного времени при более низких температурах; Производство термоэлектрической энергии осложняется проблемами, связанными с высокими температурами, при которых она работает, включая окисление и термическую нестабильность.
Рынок термоэлектрического охлаждения растет. «Мировой рынок термоэлектрических модулей стоил ~ 0.6 миллиардов долларов США в 2018 году, и ожидается, что он достигнет ~ 1.7 миллиардов долларов США к 2027 году », – пишут исследователи.
Сплавы висмут-теллур на протяжении десятилетий считались наиболее эффективным материалом для термического охлаждения, но исследователи заявили, что высокая стоимость теллура ограничивает широкое распространение.
Цзюнь Мао, научный сотрудник UH и первый автор статьи, сказал, что стоимость недавно снизилась, но по-прежнему составляет около 50 долларов за килограмм. Для сравнения: магний, основной компонент нового материала, составляет около 6 долларов за килограмм.
Помимо Рен и Мао, в число других авторов статьи входят Хантян Чжу, Цзихан Лю и Гитхал Амила Гамаге, все из физического факультета Университета штата Калифорния и TcSUH, а также Чживэй Дин и Ганг Чен из факультета машиностроения Массачусетского института инженерии. Технология.
Они сообщили, что новый материал, состоящий из магния и висмута и созданный в форме, несущей отрицательный заряд, известной как n-тип, был почти так же эффективен, как традиционный висмут-теллуровый материал. По их словам, это, в сочетании с более низкой стоимостью, должно расширить использование термоэлектрических модулей для охлаждения.
Чтобы создать термоэлектрический модуль с использованием нового материала, исследователи объединили его с версией традиционного сплава висмут-теллур, несущей положительный заряд, или p-типа. Мао сказал, что это позволяет им использовать вдвое меньше теллура, чем большинство современных модулей.
Поскольку стоимость материалов составляет около одной трети стоимости устройства, эта экономия складывается, сказал он.
Исследователи сообщили, что новый материал также более успешно поддерживает электрический контакт, чем большинство наноструктурированных материалов.