Таким образом, одной из областей исследований, представляющих интерес, является преобразование тепла в электричество.
Термоэлектрические модули приобрели популярность в последние годы благодаря своему большому потенциалу для генерации электрической энергии из разницы температур в устройствах и портативных источниках питания. Термоэлектрики — это тип устройств, которые преобразуют тепловую энергию в электрическую с помощью эффекта Зеебека.
Эти устройства основаны на свойствах определенных материалов, которые при воздействии диапазона температур преобразуют тепло в электрическое напряжение. И наоборот, при подаче напряжения они нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Электроны движутся от горячего конца материала к холодному, создавая положительные и отрицательные электроды и, следовательно, электрическое напряжение. Этот эффект, известный как эффект Пельтье-Зеебека, полностью обратим и является свойством, присутствующим только в ограниченном диапазоне материалов.

В термоэлектрических устройствах в качестве основных материалов используются полупроводники P-типа и N-типа. Наиболее часто применяемыми полупроводниковыми материалами в термоэлектрических устройствах являются теллурид висмута, теллурид сурьмы и кремний-германий, как передозированные (N-тип), так и недолегированные (P-тип). Основная сложность в создании эффективных термоэлектрических материалов заключается в том, что они должны очень хорошо проводить электричество, но не тепло.
Большинство таких материалов представляют собой металлические сплавы. Некоторые металлические сплавы, такие как соединения кремния и германия, также могут использоваться для изготовления термоэлектрических устройств. В настоящее время наиболее эффективные решения получены на основе эпитаксиальных многослойных структур из Sb₂Te₃/Bi₂Te₃, «Тонкопленочные термоэлектрические устройства с высокими показателями эффективности при комнатной температуре» (R. Venkatasubramanian et al., 2001), и сверхрешеток из квантовых точек на основе включений PbTeSe в матрице PbTe, «Термоэлектрические материалы и устройства на основе сверхрешеток из квантовых точек» (TC Harman et al., 2002).
На структурном уровне существуют различные типы термоэлектрических устройств, такие как твердотельные ячейки. Эти модули в основном требуют устройств рассеивания тепла, таких как радиаторы или протяженные поверхности. Другой тип ячеек, находящийся в разработке, — это гибридные устройства (частично твердотельные и частично напечатанные). В настоящее время изучаются возможные варианты гибридизации для лучшей оптимизации поверхности, на которую они должны быть нанесены, как цилиндрической, так и плоской.

Примером этого может служить следующая статья: «Улучшенные электропроводящие свойства за счет контроля дефектов в пленках Bi2Te3, полученных методом трафаретной печати, в широком диапазоне температур» (Jingjing Feng et al., 2020). В этой статье рассматриваются тонкопленочные термоэлектрические устройства (ТЭУ), полученные методом трафаретной печати, которые все еще находятся на ранней стадии развития, главным образом из-за низкой производительности таких устройств и, прежде всего, их плохих электропроводящих свойств.

Разработан и изготовлен высокоэффективный трафаретно-печатный лист Bi2Te3 с использованием технологии теллурового наплавления (Te-NS), позволяющей одновременно формировать проводящий канал и контролировать дефекты. С одной стороны, стимулированная миграция носителей заряда увеличивает электропроводность в семь раз, достигая коэффициента мощности 4,65 Вт*см⁻¹*К⁻². С другой стороны, механизм формирования трафаретно-печатного листа Bi2Te3, обусловленный введением Te-NS и биполярной проводимостью, снижается либо за счет увеличения биполярной генерации Bi2Te3, либо за счет большего подавления, что приводит к температурной задержке и максимизации коэффициента Зеебека.
Таким образом, достигается высокий инженерный коэффициент мощности с превосходной температурной линейностью, что указывает на потенциальное применение трафаретной печати. В данном исследовании продемонстрировано напряжение холостого хода 11,34 мВ и максимальная выходная мощность 27,1 Вт при температурном градиенте 105 К в широком диапазоне температур от 303 до 478 К. Это исследование предоставляет теоретическую и практическую основу для улучшения характеристик термоэлектрических ламп и устройств, изготовленных методом трафаретной печати.

Однако большинство используемых в настоящее время материалов сильно загрязняют окружающую среду; поэтому ведутся исследования альтернативных решений с использованием менее загрязняющих материалов, которые можно перерабатывать и которые обеспечивают эффективность, близкую к эффективности более высокоэффективных материалов (коэффициент Зеебека теллурида висмута составляет 300 мкВ/К).
В качестве альтернативы традиционно используемым материалам можно выделить направления исследований и начальные разработки, основанные на проводящих полимерах, таких как PEDOT:PSS, полимер с внутренней проводимостью, который вызвал значительный интерес с момента открытия его термоэлектрических (ТЭ) функций; наноматериалах на основе углерода, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) и одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ); металлических сплавах; и органических соединениях.
В случае с одностенными углеродными нанотрубками n-типа (SWCNT), рассмотренными ранее, в следующей статье «Двухслойные гибкие пленочные термоэлектрические генераторы с использованием пленок из углеродных нанотрубок» (Ryota Konagayay et al., 2023) обсуждаются улучшенные характеристики этого материала. Двухслойный гибкий пленочный термоэлектрический генератор (DFTEG) достиг выходного напряжения 40 мВ и максимальной мощности 891 нВт при разности температур 25 К между холодной и горячей сторонами модуля. Эти показатели являются низкими по сравнению с результатами, полученными с использованием традиционных материалов, таких как Te, Bi или Ge; однако это многообещающий результат для разработки термоэлектрических модулей с использованием экологически чистых материалов.

Рисунок 4: Схема процесса изготовления DFTEG.
Источник: Ryota Konagayay и Masayuki Takashiri, 2023, «Двухслойные гибкие пленочные термоэлектрические генераторы с использованием пленок из углеродных нанотрубок».

Таким образом, можно утверждать, что термоэлектрические устройства следующего поколения (изготовленные из более экологичных, гибких и легких материалов) имеют множество потенциальных применений для обеспечения самодостаточности. В электронике эти устройства могут использоваться для питания носимых устройств, таких как умные часы и фитнес-трекеры. В области датчиков эти устройства могут использоваться для питания датчиков температуры, давления и влажности.
По мере дальнейшего развития технологии термоэлектрических устройств ожидается разработка новых материалов и методов производства для повышения эффективности и масштабируемости этих устройств, что потенциально может привести к решениям для повышения энергоэффективности и эффективности использования энергии.

АВТОР: Висенте Милан, инженер-исследователь в AIMPLAS