Pertanto, una delle aree di ricerca di maggiore interesse è la conversione del calore in elettricità.
I ​​moduli termoelettrici hanno acquisito importanza negli ultimi anni grazie al loro grande potenziale per la generazione di energia elettrica dalle differenze di temperatura in dispositivi e alimentatori portatili. I dispositivi termoelettrici sono un tipo di dispositivo che converte l'energia termica in energia elettrica utilizzando l'effetto Seebeck.
Questi dispositivi si basano sulle proprietà di alcuni materiali che, se sottoposti a un intervallo di temperature, trasformano il calore in una tensione elettrica. Viceversa, quando viene applicata una tensione, si riscaldano da un lato e si raffreddano dall'altro. Gli elettroni si spostano dall'estremità calda del materiale a quella fredda, creando elettrodi positivi e negativi e quindi la tensione elettrica. Questo effetto, noto come effetto Peltier-Seebeck, è completamente reversibile ed è una proprietà presente solo in una gamma limitata di materiali.

I materiali principali utilizzati nei dispositivi termoelettrici sono i semiconduttori di tipo P e di tipo N. I semiconduttori più comunemente impiegati in questo settore sono il tellururo di bismuto, il tellururo di antimonio e il silicio-germanio, sia sovradrogati (tipo N) che sottodrogati (tipo P). La sfida fondamentale nella creazione di materiali termoelettrici efficienti risiede nella necessità di condurli in modo ottimale sia dal punto di vista elettrico che termico.
La maggior parte di questi materiali sono leghe metalliche. Alcune leghe metalliche, come i composti di silicio-germanio, possono essere utilizzate anche per la realizzazione di dispositivi termoelettrici. Le rese più elevate attualmente disponibili si ottengono con strutture multistrato epitassiali basate su Sb₂Te₃/Bi₂Te₃, "Dispositivi termoelettrici a film sottile con elevati valori di merito a temperatura ambiente" (R. Venkatasubramanian et al., 2001), e superreticoli di punti quantici basati su inclusioni di PbTeSe su una matrice di PbTe, "Materiali e dispositivi termoelettrici a superreticolo di punti quantici" (TC Harman et al., 2002).
A livello strutturale, troviamo diversi tipi di dispositivi termoelettrici, come le celle a stato solido. Questi moduli richiedono principalmente dispositivi di dissipazione del calore, come radiatori o superfici estese. Un altro tipo di cella in fase di sviluppo è il dispositivo ibrido (parzialmente solido e parzialmente stampato). Attualmente, si stanno studiando possibili ibridazioni al fine di ottenere una migliore ottimizzazione della superficie su cui deve essere applicato, sia cilindrica che piana.

Un esempio di ciò si può trovare nel seguente articolo, "Enhanced Electrical Transport Properties via Defect Control for Screen-Printed Bi2Te3 Films over a Wide Temperature Range" (Jingjing Feng et al., 2020). Questo articolo discute i dispositivi termoelettrici a film sottile serigrafati (TED), che sono ancora nelle fasi iniziali, principalmente a causa delle scarse prestazioni dei TED serigrafati e, soprattutto, delle loro scarse proprietà di trasporto elettrico.

È stato progettato e preparato un foglio serigrafato di Bi2Te3 ad alte prestazioni introducendo una sovra-saldatura a base di Te (Te-NS) per ottenere simultaneamente la formazione del canale di conduzione e il controllo dei difetti. Da un lato, la migrazione dei portatori di carica promossa aumenta la conduttività elettrica di sette volte, con un fattore di potenza di 4,65 W*cm⁻¹*K⁻². Dall'altro lato, il meccanismo di formazione del foglio serigrafato di Bi2Te3, a seguito dell'introduzione di Te-NS e della conduzione bipolare, viene ridotto da una maggiore generazione bipolare di Bi2Te3 o da una maggiore soppressione, con conseguente ritardo di temperatura e massimizzazione del coefficiente di Seebeck.
Pertanto, si ottiene un elevato fattore di potenza ingegneristico con un'eccellente linearità di temperatura, indicando una potenziale applicazione nella serigrafia. Sono stati dimostrati una tensione a circuito aperto di 11,34 mV e una potenza di uscita massima di 27,1 W a un gradiente di temperatura di 105 K su un ampio intervallo di temperatura da 303 a 478 K. Questo studio fornisce una base teorica e pratica per migliorare le prestazioni di lampade e dispositivi termoelettrici serigrafati.

Tuttavia, la maggior parte dei materiali attualmente utilizzati è altamente inquinante; pertanto, si stanno studiando soluzioni alternative che impiegano materiali meno inquinanti, riciclabili e in grado di raggiungere efficienze simili a quelle dei materiali più performanti (il coefficiente di Seebeck del tellururo di bismuto è di 300 μV/K).
Come alternative ai materiali tradizionalmente utilizzati, possiamo individuare linee di ricerca e sviluppi iniziali basati su polimeri conduttivi come il PEDOT:PSS, un polimero intrinsecamente conduttivo che ha suscitato notevole interesse sin dalla scoperta delle sue funzioni termoelettriche (TE); nanomateriali a base di carbonio come i nanotubi di carbonio (CNT) e i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT); leghe metalliche; e composti organici.
Nel caso dei nanotubi di carbonio a parete singola di tipo n (SWCNT) discussi in precedenza, il seguente articolo, "Generatori termoelettrici a film flessibile a doppio tipo che utilizzano film di nanotubi interamente in carbonio" (Ryota Konagayay et al., 2023), discute le prestazioni migliorate di questo materiale. Il DFTEG ha raggiunto una tensione di uscita di 40 mV e una potenza massima di 891 nW per una differenza di temperatura di 25 K tra il lato freddo e quello caldo del modulo. Si tratta di risultati prestazionali bassi rispetto a quelli ottenuti con materiali tradizionali come Te, Bi o Ge; tuttavia, è un risultato promettente per lo sviluppo di moduli termoelettrici che utilizzano materiali non inquinanti.

Figura 4: Schema del processo di fabbricazione del DFTEG.
Fonte: Ryota Konagayay e Masayuki Takashiri, 2023, "Generatori termoelettrici a film flessibile a doppio tipo che utilizzano film di nanotubi interamente in carbonio"

Pertanto, possiamo affermare che i dispositivi termoelettrici di nuova generazione (realizzati con materiali più sostenibili, flessibili e leggeri) hanno molte potenziali applicazioni per l'autosufficienza. Nel campo dell'elettronica, questi dispositivi potrebbero essere utilizzati per alimentare dispositivi indossabili come smartwatch e fitness tracker. Nel settore dei sensori, potrebbero essere impiegati per alimentare sensori di temperatura, pressione e umidità.
Con il continuo progresso della tecnologia dei dispositivi termoelettrici, si prevede lo sviluppo di nuovi materiali e metodi di produzione per migliorare l'efficienza e la scalabilità di questi dispositivi, portando potenzialmente a soluzioni per una maggiore efficienza e utilizzo dell'energia.

AUTORE: Vicente Milán, Ricercatore di Ingegneria presso AIMPLAS