Новый материал побил мировой рекорд по преобразованию тепла в электричество

Термоэлектрические материалы могут преобразовывать тепло в электроэнергию. Это связано с тем, что при наличии разницы температур между двумя концами, в них возникает электрическое напряжение и заряженные частицы начинают перемещаться. При этом количество генерируемой электроэнергии зависит от безразмерного показателя добротности (ZT), и чем он выше, тем эффективнее преобразование.

У лучших на сегодня термоэлектриков этот показатель находится на уровне 2,5-2,8. Однако команда ученых из Венского технического университета представила новый материал, у которого значение ZT достигает 5-6. Он представляет собой кристалл кремния, покрытый тонким слоем железа, ванадия, вольфрама и алюминия.

Оптимальный термоэлектрический материал должен демонстрировать сильный эффект Зеебека, хорошо проводить электричество, но в тоже время быть плохим теплопроводником. Сочетания последних двух факторов является сложной задачей, поскольку обычно они тесно связаны.

В чистой комбинации железа, ванадия, вольфрама и алюминия атомы распределяются равномерно в гранецентрированной кубической решетке, то есть между двумя частицами каждого металла всегда одинаковое расстояние. Однако при нанесении слоя этого материала на кремний, его структура меняется, и расположение атомов становится случайным.

Такие особенности распределения изменяют электронную структуру материала, из-за чего ток проходит через него особым образом, не рассеиваясь. При этом неравномерности в кристаллической структуре ухудшают теплопроводность, что усиливает термоэлектрический эффект.

По словам самих ученых, хотя тонкий слой нового материала не сможет генерировать много энергии, но его хватит для питания датчиков и небольших электронных устройств. Они считают, что разработка имеет большой потенциал применения в производственных сетях Интернета вещей, поскольку позволит избавиться от проводов.

Напомним, что ранее команда инженеров превратила кусок древесины в гибкую мембрану, которая преобразует тепловую энергию в электричество, даже при незначительных перепадах температуры.

текст: Илья Бауэр, фото: TU Wien