ScienceDaily (1 февраля 2010) Используя несколько самых мощных суперкомпьютеров в мире, ученые Беркелеевской национальной лаборатории показали, что неравновесные сплавы отлично могут быть применены для высокоэффективных термоэлектрических устройств в будущем. Термоэлектричество содержит огромный потенциал для экологически чистого производства энергии из-за способности преобразовать высокую температуру в электричество.
Вычисления, выполненные на "Franklin", Cray XT4, с параллельной обработкой данных, который принадлежит Научному вычислительный центру исследования энергии (NERSC), показали, что введение примесей кислорода в уникальный класс полупроводников, которые известны, как высоконеравновесные сплавы (HMAs) могут существенно увеличить термоэлектрическую работу этих материалов без деградации их электрической проводимости.
"Мы нашли диапазон недорогих, производительных, нетоксичных материалов, в которых структура материала может быть настроена для достижения максимального термоэлектрического КПД," говорит Джанкиао Ву, профессор физик в Лаборатории Беркли, проводивший это исследование.
"Мы показали, что сочетание различных элементов сплава в HMAs позволяет увеличить термо-ЭДС без большого уменьшения электрической проводимости, которая не достижима для обычных термоэлектрических материалов," говорит он.
Сотрудничали с Ву в этой работе Джу-Хунг Ли и Джеффри Гроссман, оба сейчас работают в Массачусетском технологическом институте. Команда издала отчет о работе, который опубликовала в "Обзоре Физических Писем".
Эффект Зеебека и Зеленая Энергия
В 1821, немецкий физик Томас Джоханн Зебек заметил, что температурная разница между двумя концами металлического провода генерирует электрический ток, с напряжением, прямо пропорционально температурному градиенту. Это явление стало известно как термоэлектрический эффект Зеебека, и он имеет большой потенциал для того, чтобы овладеть высокотемпературной энергией и преобразовать ее в электричество,которая сейчас теряется при производстве электроэнергии. Но чтобы произвести ее нужно иметь высокий термоэлектрический КПД.
"Хорошие термоэлектрические материалы должны иметь высокую термо-ЭДС, высокую электрическую проводимость, и низкую тепловую проводимость," говорит Ву. "Повысить термоэлектрическую работу можно, уменьшив тепловую проводимость путем изменения наноструктуры. Однако, увеличить работу, увеличивая термо-ЭДС оказалось трудной задачей, потому что увеличение термо-ЭДС обычно происходило за счет уменьшения электрической проводимости."
Обойти эту проблему, Ву и его коллеги, смогли разработав HMAs, необычный новый класс материалов, развитие которого велось совместно с другим физиком из Лаборатории Беркли, Владиславом Валукевичем. HMAs получены из сплавов, которые не соответствуют определению электроотрицательных, из-за способности их притягивать электроны. Частичная замена анионов с высокоэлектроотрицательных на изоэлектронные ионы позволяет изготовить HMAs, свойства которого могут быть кардинально изменены уже небольшим введением примеси. Анионы - отрицательно заряженные атомы, а изоэлектронные ионы - различные элементы, которые имеют идентичные электронные конфигурации.
"В HMAs, сочетание между расширенными состояниями основного компонента и ограниченных состоянием другого компонента приводит к сильному реструктурированию полосы, приводя к пикам в электронной плотности состояния и новых субполос в оригинальной структуре полосы," говорит Ву. "Вследствие расширенных состояния, скрещенных в эти субполосы, высокая электрическая проводимость в значительной степени поддержана, несмотря на рассеивание сплава."
В их теоретической работе, Ву и его коллеги обнаружили, что разработанный ими тип электронной структуры может быть очень выгодным для термоэлектричества. Работая с полупроводниковым селенидом цинка , они моделировали введение двух концентраций атомов кислорода (3.125 и 6.25 процентов соответственно), чтобы создать образцовый HMAs. В обоих случаях, примеси кислорода показывали, чтобы вызвать пики в электронной плотности состояния выше минимума полосы проводимости. Также показано, что удельные веса энергии около плотности государственных пиков были существенно привлечены к высоко электроотрицательные атомы кислорода.
Ву и его коллеги нашли, что для каждого из сценариев моделирования, вызванные примесью, пики в электронной плотности состояния привели к "пиковому увеличению" и термо-ЭДС и электрической проводимости по сравнению с селенидом цинка без кислорода. Увеличение было 30 и 180 % соответственно.
"Кроме того, этот эффект,пропадает, когда электроотрицательная примесь соответствует основному веществу, которого она заменяет," говорит Ву. "Эти результаты показывают, что высокоэлектроотрицательные, неравновесные сплавы могут быть разработаны для термоэлектрических применений с высоким термо-ЭДС."
Ву и его группа исследования теперь работают, чтобы фактически синтезировать HMAs для физического испытания в лаборатории. В дополнение к овладению энергией, которая сейчас тратится впустую, Ву полагает, что термоэлектричество, основанное на HMAs сплавах, может также использоваться для охлаждения твердого тела, в котором термоэлектрическое устройство используется, чтобы охладить другие устройства или материалы.
"Термоэлектрические холодильники имеют преимущества перед обычной технологией охлаждения; они не имеют никаких движущихся частей, нуждаются лишь небольшом обслуживании, и занимают на порядок меньше места," говорит Ву.
|
