Werktuigbouwkundigen aan de Universiteit van Californië, rivieroever, hebben succes geboekt bij het gebruik van goedkope materialen om thermo-elektrische apparaten te produceren die laagwaardige afvalwarmte omzetten in elektriciteit.

Hun opmars zou een breed scala aan commerciële toepassingen mogelijk maken. Bijvoorbeeld, het integreren van thermo-elektrische opwekkingsapparaten in computerchips zou de warmte die ze produceren in staat kunnen stellen een stroombron te leveren. Afvalwarmte van automotoren kan de elektronica van een auto laten draaien en voor koeling zorgen. Fotovoltaïsche zonnecellen kunnen efficiënter worden gemaakt door de warmte van het zonlicht dat erop valt te benutten om meer elektriciteit op te wekken.

Ook, dezelfde basistechnologie gebruiken, er zouden zuinige thermo-elektrische koelkasten kunnen worden geproduceerd die energiezuiniger zijn en met minder bewegende delen dan koelkasten die compressoren en koelvloeistof gebruiken. De huidige thermo-elektrische koelkasten zijn duur en relatief inefficiënt. In essentie, ze werken in omgekeerde richting van thermo-elektrische generatoren, met een elektrische stroom die wordt aangelegd om een ​​temperatuurgradiënt te genereren die kan worden gebruikt bij koeling.

Hoewel thermo-elektrische generatoren zeer betrouwbaar zijn geweest, bijvoorbeeld voor het aandrijven van ruimtesondes zoals het Voyager-ruimtevaartuig gedurende tientallen jaren, werd hun gebruik beperkt door de kosten en complexiteit van de materialen die ze nodig hadden.

Echter, onderzoekers onder leiding van Universitair Docent Werktuigbouwkunde Sandeep Kumar, hebben gemeld dat ze een aanzienlijke omzetting van thermo-elektrische energie hebben bereikt met behulp van een combinatie van een nikkel-ijzerlegering en silicium. Het wetenschappelijke artikel over hun resultaten verscheen onlangs online in het tijdschrift Physica Status Solidi-Rapid Research Letters. Co-auteurs van het papier waren afgestudeerde studenten Ravindra Bhardwaj en Paul Lou.

In hun experimenten, de onderzoekers construeerden een superdunne tweelaagse sandwich van nikkel-ijzer Permalloy en een vorm van silicium genaamd p-type silicium. De Permalloy-laag was 25 nanometer dik, en de onderzoekers maakten apparaten waarin de siliciumlaag een dikte had van 100 nanometer, 25 nanometer en 5 nanometer. Ter vergelijking, een mensenhaar is ongeveer 200 micron dik.

Toen de onderzoekers warmte toepasten op de Permalloy-laag, ze waren in staat om een ​​elektrische spanning te produceren in de sandwich, als gevolg van een recent ontdekt fysiek fenomeen dat bekend staat als het spin-Seebeck-effect. Bij deze uitwerking een temperatuurgradiënt genereert een spinstroom van de ferromagnetische substantie, het produceren van een elektrische spanning in het silicium. De verhoogde spanning die in het apparaat werd geproduceerd, was te wijten aan een mechanisme dat de "Rashba spin-orbit-koppeling" wordt genoemd.

De onderzoekers bereikten een van de grootste spanningen die tot nu toe in het apparaat zijn gemeten met de 5 nanometer dikke siliciumlaag.

"Dergelijke apparaten zullen elektriciteit kunnen opwekken in elke situatie waarin er kleine temperatuurverschillen zijn, "zei Kumar. "Want, voorbeeld, een computerchip warmt doorgaans op tot ongeveer zestig graden Celsius, terwijl de omgevingstemperatuur vijfentwintig graden kan zijn. Dus, dergelijke spin-thermo-elektrische generatoren die in computerchips zijn geïntegreerd, kunnen aanzienlijke hoeveelheden elektriciteit opwekken uit warmte die anders verloren zou gaan."

"Ook, fotovoltaïsche zonnepanelen worden behoorlijk warm, dus het integreren van thermo-elektrische generatoren in dergelijke panelen kan extra elektriciteit opwekken uit die afvalwarmte, " zei hij. "Thermo-elektrische generatoren kunnen ook in auto's worden geïntegreerd, waar motortemperaturen honderd graden Celsius kunnen bereiken, vergeleken met een omgevingstemperatuur van vijfentwintig graden. In zo'n toepassing kan de opgewekte elektriciteit de elektronica van de auto van stroom voorzien en zelfs voor koeling zorgen."

De laatste experimenten vormen slechts het begin van de ontwikkeling van de nieuwe thermo-elektrische technologie, zei Kumar, die eraan toevoegde dat er een voorlopig octrooi op de vinding is ingediend.

"We hebben nog maar net de oppervlakte van de mogelijkheden bekrast, " zei hij. "We geloven dat we nog meer energie kunnen genereren uit dezelfde temperatuurgradiënt door meerdere lagen te gebruiken, net zoals het samenvoegen van batterijen de energie-output verhoogt. En, we onderzoeken andere aarde-overvloedige, goedkope materialen die effectief kunnen zijn in spin-thermo-elektrische apparaten."

De titel van het artikel is "Giant enhancement in Rashba spin-Seebeck effect in NiFe/p-Si dunne films."