Termoelektrik malzemeler, ısı kaynakları kullanılmadan elektrik üretebilme kabiliyetleri nedeniyle temiz enerjiye geçişte önemli bir rol oynamaktadır. Bununla birlikte, çoğu modern termoelektrik malzemenin geniş bir uygulama yelpazesi için yeterince verimli enerji üretmemesi nedeniyle pratik uygulamaları yavaşlamaktadır.
Karmaşık kimyasal bileşimlere sahip yeni, daha etkili malzemeler ararken, bilim adamlarının, genellikle toksik veya nadir elementler içeren çeşitli malzemelerin önerilen her yeni bileşimi üzerinde çok sayıda deneysel test yapması gerekiyor.
Houston Üniversitesi ve Rice Üniversitesi’nden araştırmacılar yeni bir yöntem bildirdiler: Bu şekilde geliştirilen malzemelerden biri olan p-tipi Zintl bileşiğinin son derece yüksek termoelektrik performans sağlayacağını kanıtladıktan sonra bir termoelektrik modül ürettiler.
Bilim adamları, 475 Kelvin veya yaklaşık 855 Fahrenheit sıcaklık farkıyla ısıyı elektriğe dönüştürme verimliliğinin %10’dan fazla olduğunu söylüyor.
Houston Üniversitesi Teksas Süperiletkenlik Merkezi yöneticisi ve makalenin yazarı Zhifeng Ren, malzemelerin performansının iki yıldan fazla bir süre istikrarlı kaldığını söyledi.
Verimliliği artırmak için çeşitli stratejiler kullanılmış olmasına rağmen, elektronik bant yakınsaması, termoelektrik performansı iyileştirme potansiyeli nedeniyle özel ilgi görmüştür. Termoelektrik malzemelerde yüksek performansa ulaşmak genellikle zorlu bir iştir. En iyi performansı elde etmek için tüm grupların aynı anda çalışması gereken karmaşık materyaller oluşturmak daha da zordur.
Ek olarak, güçlü bölge yakınsamasına sahip yeni malzemelerin araştırılması uzun zaman aldı ve bu da birçok başarısız girişimle sonuçlandı. Her zamanki yöntem deneme yanılmaydı. Enerji bantlarının yakınsaması, yük taşıyıcılarının hareketliliğini ve elektronların ve “deliklerin” konsantrasyonunu artırmaya yardımcı olur ve bu da malzemenin elektriksel iletkenliğini artırır. Bu, verimliliği ısıyı elektrik akımına dönüştürme yeteneğine bağlı olan termoelektrik malzemeler için önemlidir. Bant yakınsaması, katkılama veya belirli bir kristal yapı oluşturma gibi diğer yaklaşımlarla birlikte termoelektrik malzemelerin performansını artırmaya yönelik stratejilerden biri olarak kabul edilir.
Ren, “Çok sayıda deney yapmak yerine bu yöntem, daha iyi sonuçlar üretmeyecek gereksiz olasılıkları ortadan kaldırmamıza olanak sağladı” dedi.
Yeni bir tahmin yöntemi, daha verimli termoelektrik malzemeleri bulmak için gereken zamanı ve kaynakları önemli ölçüde azaltabilir ve bu da temiz enerji kaynaklarına geçişi hızlandırabilir.
Hangi öncül kombinasyonlarının en iyi performansı sağlayabileceğini bulmak için bilim adamları, beş element içeren dört öncüyle başladılar: iterbiyum, kalsiyum, magnezyum, çinko ve antimon. Daha sonra termoelektrik bir cihaz oluşturmak için en verimli karışımı seçtiler.
“Bu yöntem olmasaydı tüm olasılıkları denemek ve denemek zorunda kalırdık. Bunu yapmanın başka yolu yok. Ren’in grubundaki yüksek lisans öğrencisi ve makalenin baş yazarı Xin Shi, “Şimdi önce hesaplamayı yapıyoruz, malzemeyi tasarlıyoruz ve ardından üretip test ediyoruz” dedi.
Bilim adamları bu stratejiyi, hesaplama yöntemini diğer kompozit malzemelere uygulayarak yeni termoelektrik malzemeler geliştirmek için de kullanabilirler. Hesaplama, bitmiş alaşımda kullanılması gereken başlangıç bileşiklerinin uygun oranlarını belirler.
Böylece, yeni hesaplama yöntemi, elektronik bantların yakınsamasını ve alaşımın optimal bileşimini doğru bir şekilde tahmin etmeyi mümkün kılar; bu da, yüksek performanslı termoelektrik malzemelerin geliştirilmesini önemli ölçüde hızlandırır ve maliyetini azaltır. Bu yaklaşımı kullanarak bilim insanları, yaklaşık 855 derece Fahrenheit sıcaklık farkında %10’un üzerinde son derece yüksek ısıdan elektriğe dönüşüm verimliliği sergileyen p-tipi Zintl bileşiğine dayanan bir termoelektrik modül oluşturdular. Daha da önemlisi, bu malzemenin özellikleri iki yıldan fazla bir süre boyunca sabit kaldı.
Keşif, daha verimli termoelektrik jeneratörlerin yaratılması yoluyla yenilenebilir enerjiye geçişi potansiyel olarak hızlandıracak.
