De voortdurende uitputting van op fossiele brandstoffen gebaseerde energiebronnen leidt ons naar een groeiende energiecrisis. Hierdoor is een zoektocht naar duurzame alternatieve hulpbronnen in gang gezet. Omzetting van thermo-elektrische energie - een proces waarbij elektriciteit wordt opgewekt uit afvalwarmte - heeft aan kracht gewonnen als de volgende potentiële technologie voor het oogsten van energie. Generatoren gemaakt van thermo-elektrische materialen worden gebruikt om thermische energie te oogsten via het "Seebeck-effect". Het temperatuurverschil in het thermo-elektrische materiaal creëert een stroom van ladingsdragers, die elektrische energie opwekken.

Voor een efficiënte conversie moet een thermo-elektrisch materiaal een hoge conversie-efficiëntie (ZT) hebben, waarvoor een hoge Seebeck-coëfficiënt (S), een hoge elektronische geleidbaarheid (σ) en een lage thermische geleidbaarheid (κ) nodig zijn. Van het materiaal tinselenide (SnSe) is bekend dat het een recordhoge ZT vertoont in zijn eenkristalvorm. De prestatie verslechtert echter in praktische polykristallen vanwege een lage σ en een hoge κ.

In een recente studie gepubliceerd in Advanced Science , slaagde een team van onderzoekers uit Japan, geleid door universitair hoofddocent Takayoshi Katase van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), erin om de ZT van polykristallijne SnSe te verbeteren door gelijktijdig een hoge σ en een lage κ aan te tonen. Het team bereikte deze opmerkelijke doorbraak door tellurium (Te) -ion in de structuur van SnSe te introduceren.

Er was echter een vangst. De oplosbaarheid van Te ^2- ionen in de Se ^2- plaats van SnSe is extreem laag onder thermisch evenwicht vanwege een mismatch in grootte tussen de twee ionen, wat de ionensubstitutie ernstig beperkt. Het team ging deze uitdaging aan door een niet-evenwichtsgroeiproces in twee stappen toe te passen, waardoor ze de Te ^2- konden verhogen. concentratielimiet x tot 0,4 in Sn(Se_1-x Te_x ) bulkkristallen.

"Het toevoegen van een ion met dezelfde valentietoestand verhoogt meestal niet de dragerconcentratie in ionische halfgeleiders, maar in ons geval vervangt het vervangen van Te ^2- ionen op de Se ^2- site in SnSe verhoogde de dragerconcentratie met drie ordes van grootte, wat leidde tot een hoge σ. Bovendien verminderde de Te-ionsubstitutie drastisch κ tot minder dan een derde van zijn waarde bij kamertemperatuur", zegt Dr. Katase.

Er zijn twee belangrijke strategieën geweest om de hoge σ en lage κ in SnSe-polykristallen te bereiken. Een daarvan is het toevoegen van ionen met een andere valentietoestand, zoals alkali-ionen, om de dragerconcentratie te verhogen. Een andere is het regelen van de segregatie van onzuiverheden voor fononverstrooiing. Er zijn dus veel complicaties betrokken bij de synthese van hoogwaardig polykristallijn SnSe.

Het team toonde echter aan dat isovalente Te-ionsubstitutie tegelijkertijd σ verhoogt en κ verlaagt. Hoe? Het team voerde eerste-principeberekeningen uit om het mechanisme achter de verbetering in ZT op te helderen. De berekeningen toonden aan dat het grote Te-ion in SnSe zwakke Sn-Te-bindingen vormde. Deze Sn-Te-binding wordt gemakkelijk gedissocieerd en er wordt een hoge dichtheid van Sn-vacatures in de structuur gevormd, wat leidt tot een hoge gatenconcentratie. Bovendien verminderen de zwakke Sn-Te-bindingen de fononfrequentie (frequentie van roostertrillingen) en versterken ze de fononverstrooiing, wat resulteert in de lage κ.

De studie presenteert dus een nieuwe methode voor het toevoegen van grote ionen buiten hun evenwichtslimieten, die toekomstige studies zou kunnen leiden naar het optimaliseren van de elektronische en thermische eigenschappen van thermo-elektrische SnSe-polykristallen. "Wij geloven dat onze bevindingen de weg zouden banen naar hoogwaardige, praktische thermo-elektrische materialen", zegt Dr. Katase.

We hopen zeker dat zijn visie niet al te ver van realisatie is. + Verder verkennen

Schakelen van meerdere halfgeleidertypes om de thermo-elektrische omzetting van afvalwarmte te stimuleren