Bilim adamları en iyi termoelektrik malzemeler için tasarım kurallarını belirliyor

Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nden araştırmacılar, yeni termoelektrik malzemeler oluşturmaya yönelik tasarım kurallarını türetmek için teorik bir çerçeve kullandılar. Termal enerjiyi elektriğe dönüştürmenin verimliliği genellikle birbirine güçlü bir şekilde bağlı olan parametreler tarafından belirlenir ve bu da ideal tariflerin belirlenmesini zorlaştırır.

Ekibin dergide yayınlanan bulguları Günümüzün Malzeme Gelişmelerielektronların alabileceği durumları gösteren bir harita olan “bant yapısını” optimize etmeye yönelik hedeflerin belirlenmesine yardımcı olarak rasyonel malzeme tasarımına doğru bir geçiş vaat ediyor.

Fosil yakıtların yakılmasıyla üretilen enerjinin yaklaşık %60’ı ısı olarak kayboluyor. Bu “atık ısıyı” elektriğe dönüştürmenin etkili yolları, dünya petrol ve gaz tüketimini azaltmaya çalışırken önemli bir adım olacaktır. Ancak “termoelektrik” dönüşüm büyük bir zorluk olmaya devam ediyor.

Termoelektrik teknolojisinin altında yatan fiziksel etki, Seebeck etkisi, iki farklı malzeme temas ettirilip ısıtıldığında ortaya çıkan akıma dayanır. Özellikleri değiştirmek için küçük miktarlarda farklı bir element (“katkılama”) ekleyerek dönüşüm verimliliğini artırmak mümkün olsa da, ısının akıma başarılı bir şekilde dönüştürülmesini belirleyen faktörler genellikle karmaşık şekillerde birbirine bağlıdır ve bu da malzemelerin tam olarak nasıl değiştirilebileceğine ilişkin niceliksel kuralları belirlemeyi zorlaştırır.

Son çalışmada, Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nden Yardımcı Doçent Yuya Hattori liderliğindeki bir ekip, geniş bir malzeme yelpazesinde geçerli olan tasarım kurallarını ortaya çıkardı. Termoelektrik dönüşüm verimliliğinin maksimuma çıkarılabileceği ortak koşulların olduğunu göstermek için Boltzmann taşıma teorisi adı verilen teorik bir çerçeve kullandılar.

Çalışmaları, malzemelerin “bant yapısını” optimize ediyor; elektronlar ve “delikler” (“elektron eksikliği”) gibi taşıyıcıları yükleyen enerjilerin bir haritasını çıkarıyor.

Bant yapısının önemli bir özelliği, bir malzemedeki en yüksek enerjili elektronları ve bunların kayabileceği en düşük enerjili durumları ayıran enerji aralığı olan bant aralığıdır.

Örneğin, elektronların ve deliklerin Seebeck etkisine zıt yönlerde katkıda bulunarak performansı düşürdüğü “iki kutuplu etkinin”, ortamın termal enerjisi bant aralığının yaklaşık beş katına ulaştığında etkinleştirildiğini keşfettiler.

Ekip, bileşimin ince ayarının, bir malzemenin içindeki farklı ortamlarda aynı veya benzer enerjiye sahip elektronlar oluşturabildiği ve bunların hepsinin termoelektrik taşınmaya katkıda bulunabileceği “bant yakınsak” malzemelere odaklandı. Enerjiler tam olarak eşleştiğinde Seebeck etkisinin fayda rakamının maksimuma çıktığını buldular.

Ayrıca optimum kimyasal potansiyeli, malzemeye tek bir elektron eklemek için gereken enerjiyi ve bunun farklı malzemeler için kullanılacak en iyi katkı maddesi miktarlarını nasıl bildirdiğini araştırdılar.

Evrensel kurallara ulaşmak zor olsa da, çalışmaları daha iyi termoelektrik malzemeler için yeni tariflerin belirlenmesine yardımcı olabilecek temel ilkelere ışık tutuyor. Ekip, sayısal simülasyonlarla birleştirildiğinde termoelektrik malzeme mühendisliğinde ampirik bir yaklaşımdan uzaklaşarak rasyonel malzeme tasarımı lehine büyük bir ilerleme öngörüyor.