Assim sendo, uma das áreas de investigação de interesse é a conversão de calor em eletricidade.
Os módulos termoelétricos têm ganho destaque nos últimos anos devido ao seu grande potencial para gerar energia elétrica a partir de diferenças de temperatura em dispositivos e fontes de alimentação portáteis. Os dispositivos termoelétricos são um tipo de dispositivo que converte energia térmica em energia elétrica através do efeito Seebeck.
Estes dispositivos baseiam-se nas propriedades de determinados materiais que, quando sujeitos a uma gama de temperaturas, transformam o calor em tensão elétrica. Por outro lado, quando é aplicada uma tensão, aquecem numa extremidade e arrefecem na outra. Os eletrões movem-se da extremidade quente do material para a extremidade fria, criando elétrodos positivos e negativos e, assim, a tensão elétrica. Este efeito, conhecido como efeito Peltier-Seebeck, é completamente reversível e é uma propriedade presente apenas numa gama limitada de materiais.

Os principais materiais utilizados nos dispositivos termoelétricos são os semicondutores do tipo P e do tipo N. Os materiais semicondutores mais utilizados nos dispositivos termoelétricos são o telureto de bismuto, o telureto de antimónio e o silício-germânio, tanto superdopados (tipo N) como subdopados (tipo P). O principal desafio na criação de materiais termoelétricos eficientes é que estes precisam de ser muito bons condutores de eletricidade, mas não de calor.
A maioria destes materiais são ligas metálicas. Certas ligas metálicas, como os compostos de silício-germânio, também podem ser utilizadas para fabricar dispositivos termoelétricos. Os rendimentos mais elevados atualmente disponíveis são de estruturas multicamadas epitaxiais baseadas em Sb₂Te₃/Bi₂Te₃, “Dispositivos termoelétricos de filme fino com altos valores de mérito à temperatura ambiente” (R. Venkatasubramanian et al., 2001), e super-redes de pontos quânticos baseadas em inclusões de PbTeSe numa matriz de PbTe, “Materiais e Dispositivos Termoelétricos de Super-redes de Pontos Quânticos” (TC Harman et al., 2002).
A nível estrutural, encontramos diferentes tipos de dispositivos termoelétricos, como as células de estado sólido. Estes módulos requerem principalmente dispositivos de dissipação de calor, como radiadores ou superfícies estendidas. Outro tipo de célula em desenvolvimento é o dispositivo híbrido (parcialmente sólido e parcialmente impresso). Atualmente, estão a ser estudadas possíveis hibridizações para uma melhor otimização da superfície à qual será aplicado, tanto cilíndrica como plana.

Um exemplo disso pode ser visto no seguinte artigo, “Propriedades de transporte elétrico melhoradas através do controlo de defeitos em filmes de Bi2Te3 impressos em serigrafia numa ampla gama de temperaturas” (Jingjing Feng et al., 2020). Este artigo discute os dispositivos termoelétricos (TEDs) de película fina impressos em serigrafia, que ainda se encontram numa fase inicial, principalmente devido ao baixo desempenho dos TEDs impressos em serigrafia e, sobretudo, às suas deficientes propriedades de transporte elétrico.

Uma folha de Bi₂Te₃ de alto desempenho, impressa em serigrafia, foi concebida e preparada através da introdução de uma sobressoldagem à base de Te (Te-NS) para conseguir simultaneamente a formação de canais de condução e o controlo de defeitos. Por um lado, a migração de portadores promovida aumenta a condutividade elétrica em sete vezes, com um fator de potência de 4,65 W*cm⁻¹*K⁻². Por outro lado, o mecanismo de formação da folha de Bi₂Te₃ impressa em serigrafia, após a introdução de Te-NS e condução bipolar, é reduzido pelo aumento da geração bipolar de Bi₂Te₃ ou por uma maior supressão, resultando num atraso térmico e maximizando o coeficiente de Seebeck.
Portanto, é alcançado um elevado fator de potência de engenharia com uma excelente linearidade de temperatura, indicando uma potencial aplicação para a serigrafia. Foi demonstrada uma tensão de circuito aberto de 11,34 mV e uma potência máxima de saída de 27,1 W com um gradiente de temperatura de 105 K numa vasta gama de temperaturas de 303 a 478 K. Este estudo fornece uma base teórica e prática para melhorar o desempenho de lâmpadas e dispositivos termoelétricos impressos em tela.

No entanto, a maioria dos materiais actualmente utilizados são altamente poluentes; por isso, estão a ser investigadas soluções alternativas utilizando materiais menos poluentes, que possam ser reciclados e que atinjam eficiências próximas das dos materiais de alto desempenho (o coeficiente de Seebeck do telureto de bismuto é de 300 μV/K).
Como alternativas aos materiais tradicionalmente utilizados, podemos encontrar linhas de investigação e desenvolvimentos iniciais baseados em polímeros condutores, como o PEDOT:PSS, um polímero intrinsecamente condutor que tem gerado um interesse considerável desde a descoberta das suas funções termoelétricas (TE); nanomateriais à base de carbono, como os nanotubos de carbono (CNTs) e os nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs); ligas metálicas; e compostos orgânicos.
No caso dos nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) do tipo n, discutidos anteriormente, o artigo seguinte, “Dual-Type Flexible-Film Thermoelectric Generators Using All-Carbon Nanotube Films” (Ryota Konagayay et al., 2023), discute o desempenho melhorado deste material. O DFTEG atingiu uma tensão de saída de 40 mV e uma potência máxima de 891 nW para uma diferença de temperatura de 25 K entre os lados frio e quente do módulo. Estes resultados de desempenho são baixos em comparação com os obtidos com materiais tradicionais, como o Te, Bi ou Ge; no entanto, são resultados promissores para o desenvolvimento de módulos termoelétricos utilizando materiais não poluentes.

Figura 4: Esquema do processo de fabrico do DFTEG.
Fonte: Ryota Konagayay e Masayuki Takashiri, 2023, “Dual-Type Flexible-Film Thermoelectric Generators Using All-Carbon Nanotube Films”.

Assim sendo, podemos afirmar que os dispositivos termoelétricos da próxima geração (fabricados com materiais mais sustentáveis, flexíveis e leves) têm muitas aplicações potenciais para a autossuficiência. Na eletrónica, estes dispositivos poderiam ser utilizados para alimentar aparelhos vestíveis, como relógios inteligentes e rastreadores de atividades físicas. Na área dos sensores, estes dispositivos poderiam ser utilizados para alimentar sensores de temperatura, pressão e humidade.
À medida que a tecnologia de dispositivos termoelétricos continua a avançar, espera-se que novos materiais e métodos de fabrico sejam desenvolvidos para melhorar a eficiência e a escalabilidade destes dispositivos, levando potencialmente a soluções para uma maior eficiência e aproveitamento energético.

AUTOR: Vicente Milán, Investigador de Engenharia da AIMPLAS