Thermo-elektrische materialen kunnen een temperatuurverschil omzetten in elektriciteit. Organische thermo-elektrische materialen kunnen worden gebruikt om draagbare elektronica of sensoren van stroom te voorzien; echter, het vermogen is nog steeds erg laag. Een internationaal team onder leiding van Jan Anton Koster, Hoogleraar Halfgeleiderfysica aan de Rijksuniversiteit Groningen, heeft nu een n-type organische halfgeleider geproduceerd met superieure eigenschappen die deze toepassingen een grote stap dichterbij brengt. Hun resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 10 nov.

De thermo-elektrische generator is de enige door mensen gemaakte stroombron buiten ons zonnestelsel:zowel Voyager-ruimtesondes, die in 1977 werden gelanceerd en zich nu in de interstellaire ruimte bevinden, worden aangedreven door generatoren die warmte omzetten (in dit geval geleverd door een radioactieve bron) in een elektrische stroom. "Het mooie van dergelijke generatoren is dat het solid-state apparaten zijn, zonder bewegende delen, ", legt Koster uit.

geleidbaarheid

Echter, het anorganische thermo-elektrische materiaal dat in de generatoren van de Voyager wordt gebruikt, is niet geschikt voor meer alledaagse toepassingen. Deze anorganische materialen bevatten giftige of zeer zeldzame elementen. Verder, ze zijn meestal stijf en broos. "Daarom neemt de belangstelling voor organische thermo-elektrische materialen toe, " zegt Koster. Toch deze materialen hebben hun eigen problemen. Het optimale thermo-elektrische materiaal is een fononglas, die een zeer lage thermische geleidbaarheid heeft (zodat het een temperatuurverschil kan handhaven) en ook een elektronenkristal met een hoge elektrische geleidbaarheid (om de gegenereerde stroom te transporteren). Koster zegt, "Het probleem met organische halfgeleiders is dat ze meestal een lage elektrische geleidbaarheid hebben."

Hoe dan ook, meer dan tien jaar ervaring in het ontwikkelen van organische fotovoltaïsche materialen aan de Rijksuniversiteit Groningen heeft het team op weg geholpen naar een beter organisch thermo-elektrisch materiaal. Ze richtten hun aandacht op een n-type halfgeleider, die een negatieve lading draagt. Voor een thermo-elektrische generator, zowel n-type als p-type (dragende positieve lading) halfgeleiders zijn nodig, hoewel de efficiëntie van organische p-type halfgeleiders al behoorlijk goed is.

Buckyballs

Het team gebruikte fullerenen ('buckyballs, ' bestaande uit zestig koolstofatomen) waaraan een dubbele zijketen van het triethyleenglycoltype is toegevoegd. Om de elektrische geleidbaarheid te vergroten, een n-doteringsmiddel werd toegevoegd. "De fullerenen hebben al een lage thermische geleidbaarheid, maar het toevoegen van de zijketens maakt het nog lager, dus het materiaal is een zeer goed fononglas, " zegt Koster. "Bovendien deze ketens bevatten ook de doteerstof en creëren een zeer geordende structuur tijdens het uitgloeien." Dit laatste maakt het materiaal tot een elektrisch kristal, met een elektrische geleidbaarheid vergelijkbaar met die van pure fullerenen.

"We hebben nu het eerste organische fononglas elektrisch kristal gemaakt, ", zegt Koster. "Maar het meest opwindende voor mij zijn de thermo-elektrische eigenschappen." Deze worden uitgedrukt door de ZT-waarde. De T verwijst naar de temperatuur waarbij het materiaal werkt, terwijl Z de andere materiaaleigenschappen bevat. Het nieuwe materiaal verhoogt de hoogste ZT-waarde in zijn klasse van 0,2 naar meer dan 0,3, een flinke verbetering.

Sensoren

"Een ZT-waarde van 1 wordt beschouwd als een commercieel haalbare efficiëntie, maar we zijn van mening dat ons materiaal al kan worden gebruikt in toepassingen die een lage output vereisen, " zegt Koster. Om sensoren van stroom te voorzien, bijvoorbeeld, er is een paar microwatt aan vermogen nodig en deze kunnen worden geproduceerd door een paar vierkante centimeter van het nieuwe materiaal. "Onze medewerkers in Milaan maken al thermo-elektrische generatoren met behulp van fullerenen met een enkele zijketen, die een lagere ZT-waarde hebben dan we nu hebben."

de fullerenen, zijketen en dotering zijn allemaal direct beschikbaar en de productie van het nieuwe materiaal kan waarschijnlijk zonder al te veel problemen worden opgeschaald, volgens Koster. Hij is erg blij met de resultaten van dit onderzoek. "Het artikel heeft twintig auteurs van negen verschillende onderzoeksgroepen. We gebruikten onze gecombineerde kennis van synthetische organische chemie, organische halfgeleiders, moleculaire dynamica, thermische geleidbaarheid en röntgenstructurele studies om dit resultaat te krijgen. En we hebben al enkele ideeën om de efficiëntie verder te verhogen."