Materiały termoelektryczne wykazują duży potencjał w zakresie odzysku ciepła odpadowego i jego zamiany na energię elektryczną. Niestety, ich zastosowanie na szeroką skalę napotyka na problemy związane z wysokimi kosztami i zależnością od rzadkich surowców, np. telluru, który występuje w skorupie ziemskiej w ilościach porównywalnych do platyny.
Ograniczeniem alternatywnych materiałów termoelektrycznych, opartych o bardziej powszechnie dostępne pierwiastki, jest znacznie niższa wydajność lub krótka trwałość. Opracowanie zoptymalizowanych termoelektryków wymaga zapewnienia efektywnego przepływu elektronów w obrębie materiału, przy jednoczesnym zatrzymaniu ciepła.
Atrakcyjnym kierunkiem rozwoju alternatywnych termoleketryków jest koncepcja PLEC (phonon-liquid electron-crystal), w ramach której dzięki obecności dwóch różnych podsieci krystalicznych otrzymywane są materiały w stanie pośrednim między stanem stałym a ciekłym. Funkcjonalność takich związków ogranicza jednak zjawisko migracji jonów metali, powodujące dekompozycję materiału i spadek wydajności.
Naukowcy z MPI-SusMat (Max Planck Institute for Sustainable Materials) zbadali przy pomocy mikroskopu elektronowego obiecującą metodę zapobiegania migracji jonów w materiale termoelektrycznym typu PLEC na bazie antymonku cynku (β-Zn4Sb3). Zakłada ona wykorzystanie technologii pALD (powder atomic layer deposition) do formacji warstewki tlenku cynku w strukturze antymonku cynku.
Otrzymana w stu cyklach pALD warstewka izolacyjna przyczynia się do redukcji przewodności cieplnej o 20% i rozrostu ziaren krystalicznych. Dzięki temu, antymonek cynku zachowuje stabilność temperaturową podczas 39260 cykli termicznych z gradientem temperaturowym 220 °K i wysoką wydajność efektu termoelektrycznego.
Prezentowane rozwiązanie pozwala na dalszy rozwój technologii otrzymywania funkcjonalnych materiałów termoelektrycznych, które umożliwią odzysk ciepła odpadowego na większą skalę niż było to możliwe dotychczas.
mpie.de
