Меркурий Канатзидис, ученый Северо-Западного университета (США), создал материал с эффективностью термоэлектрической генерации (ZT), равной 2,2 (средний КПД более 20%). Лучший его предшественник имел лишь на ZT = 1,8.
При этом современные термоэлектрические холодильники имеют ZT от 0,3 до 0,6. Это вшестеро ниже показателей обычных испарительных холодильников. Новый же материал, состоящий из зёрен теллурида свинца и теллурида стронция, а также небольшого количества натрия, добился эффективности, равной лучшим традиционным холодильникам, что, бесспорно, повышает перспективы термоэлектрических устройств такого типа на рынке.
Коэффициент ZT выражает соотношение способности термоэлектрического материала давать ток определённого вольтажа, проводить электричество (чем выше — тем лучше, ибо тем меньше потери) и тепло (чем ниже, тем лучше, чтобы полнее успеть преобразовать его в электричество).
Чтобы добиться такой эффективности, химикам пришлось сочетать зёрна разной размерности, состоящие из разных же материалов. Самые большие зёрна — теллурида свинца — имеют диаметр в сотни, даже тысячи нанометров. Они собирают фононы с большими длинами волн. Зёрна теллурида стронция имеют диаметр от 2 до 10 нм и отвечают за фононы средней длины волны. Самые короткие волны улавливаются следовыми количествами натрия, впрыснутого в кристаллическую структуру финального материала перед его затвердеванием.
«Оценивая консервативно, полученный результат на 15–30% выше, чем у предыдущих материалов-рекордсменов», — отмечает г-н Канатзидис.
Что важно, продемонстрированный «композитный» подход приложим и к другим материалам, ведь теллур не только дорог, но и ядовит, то есть его массовое использование для генерации энергии из тепловых потерь трудно себе представить. Сейчас материаловед и его коллеги работают над созданием аналогичных по эффективности материалов на базе селенида и сульфида свинца, базирующихся лишь на относительно дешёвых и менее токсичных компонентах.
«Рекордсмен» может найти широкое применение уже сейчас в космических аппаратах, использующих радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ТЭГ), ведь он значительно эффективнее аналога.
|
