De intense interesse in het oogsten van energie uit warmtebronnen heeft geleid tot een hernieuwde drang om materialen te ontdekken die warmte efficiënter kunnen omzetten in elektriciteit. Sommige onderzoekers vinden die voordelen door materialen opnieuw te ontwerpen waarmee wetenschappers al jaren werken.

Een team van Boston College en MIT-onderzoekers rapporteert de ontwikkeling van een roman, nanotech-ontwerp dat de thermo-elektrische prestaties van een halfgeleider van een bulklegering met 30 tot 40 procent verhoogt boven het eerder bereikte cijfer van verdienste, de maatstaf voor conversie-efficiëntie in thermo-elektriciteit.

De legering in kwestie, Siliciumgermanium, wordt gewaardeerd om zijn prestaties in thermo-elektrische toepassingen bij hoge temperaturen, inclusief het gebruik ervan in radio-isotoop thermo-elektrische generatoren op NASA-vluchtmissies. Maar bredere toepassingen zijn beperkt vanwege de lage thermo-elektrische prestaties en de hoge kosten van Germanium.

Boston College hoogleraar natuurkunde Zhifeng Ren en afgestudeerd onderzoeker Bo Yu, en MIT-hoogleraren Gang Chen en Mildred S. Dresselhause en postdoctoraal onderzoeker Mona Zebarjadi, verslag in het journaal Nano-letters dat het veranderen van het ontwerp van bulk SiGe met een proces dat is geleend van de dunnefilm-halfgeleiderindustrie, heeft bijgedragen tot een toename van meer dan 50 procent in elektrische geleidbaarheid.

Het proces, bekend als een 3D-modulatie-dopingstrategie, erin geslaagd een solid-state apparaat te creëren dat een gelijktijdige vermindering van de thermische geleidbaarheid bereikte, die in combinatie met geleidbaarheidswinsten een hoge verdienstewaarde van ~ 1,3 bij 900 ° C oplevert.

"Het is een enorme uitdaging om de verdienste van een materiaal te verbeteren, omdat alle interne parameters nauw met elkaar verband houden, "zei Yu. "Als je één factor verandert, de anderen kunnen hoogstwaarschijnlijk veranderen, leidt tot geen netto verbetering. Als resultaat, een meer populaire trend in dit vakgebied is om te kijken naar nieuwe mogelijkheden, of nieuwe materiële systemen. Uit ons onderzoek bleek dat er nog kansen zijn voor de bestaande materialen, als je slim genoeg zou kunnen werken om alternatieve materiaalontwerpen te vinden."

Ren wees erop dat de prestatieverbeteringen die het team rapporteerde, concurreren met de ultramoderne n-type SiGe-legeringsmaterialen, met een cruciaal verschil dat het ontwerp van het team het gebruik van 30 procent minder Germanium vereist, wat een uitdaging vormt voor energieonderzoek vanwege de hoge kosten. Kosten verlagen is cruciaal voor nieuwe technologieën voor schone energie, hij merkte.

"Het gebruik van 30 procent minder Germanium is een aanzienlijk voordeel om de fabricagekosten te verlagen, " zei Ren. "We willen dat alle materialen die we in de groep bestuderen, kostenbarrières helpen wegnemen. Dit is een van onze doelen voor dagelijks onderzoek."

De samenwerking tussen Ren en Chen van MIT heeft geleid tot verschillende doorbraken in de thermo-elektrische wetenschap, in het bijzonder bij het regelen van fononentransport in bulk thermo-elektrische composietmaterialen. Het onderzoek van het team wordt gefinancierd door het Solid State Solar Thermal Energy Conversion Center.