Un grupo de investigación dirigido por el profesor Yoshiaki Nakamura de la Universidad de Osaka desarrolló con éxito una metodología para mejorar el factor de potencia termoeléctrica al tiempo que disminuye la conductividad térmica. Al introducir nanocables ZnO en las películas de ZnO, el factor de potencia termoeléctrica se hizo 3 veces mayor que el de la película de ZnO sin ZnOnanocables
Para el desarrollo de materiales termoeléctricos de alto rendimiento, a menudo se han usado elementos pesados caros y tóxicos; sin embargo, el alto costo y la toxicidad han limitado el uso social de dichos materiales termoeléctricos. En esta investigación, Nakamura y su equipo desarrollaron novedosos nanoestructuradospelículas estructura de nanocables de ZnO incrustada compuestas de ZnO de bajo costo y respetuoso con el medio ambiente. En las películas desarrolladas, el factor de potencia termoeléctrica se incrementó mediante la transmisión selectiva de electrones energéticos a través de interfaces de nanocables con barreras de energía controladas intencionalmente y la conductividad térmica fuedisminuyó dispersando fonones en las interfaces de nanocables Se anticipa que el éxito de esta investigación conducirá a la realización de dispositivos termoeléctricos transparentes de alto rendimiento que permitirán la recuperación de energía de objetos transparentes utilizados en todo el mundo, como vidrios de ventanas y transparentesdispositivos electrónicos.
La generación termoeléctrica que convierte el calor en electricidad ha llamado mucho la atención como una nueva fuente de energía. El vidrio de ventana con diferentes temperaturas interiores y exteriores se prevé como una fuente de calor para la generación termoeléctrica, que requiere materiales termoeléctricos transparentes con alto rendimiento termoeléctrico. El rendimiento termoeléctrico requiere un altoCoeficiente de Seebeck, alta conductividad eléctrica y baja conductividad térmica. Sin embargo, estos tres parámetros están intercorrelacionados, lo que dificulta la mejora del rendimiento. Hasta ahora, los materiales de elementos pesados caros y tóxicos con baja conductividad térmica a menudo se han utilizado para el desarrollo demateriales termoeléctricos de alto rendimiento, lo que limita el uso de la generación termoeléctrica. Por otro lado, los materiales basados en elementos ligeros de bajo costo y respetuosos con el medio ambiente exhiben un bajo rendimiento termoeléctrico debido a su alta conductividad térmica en general. Sin embargo, se informó que la nanoestructuración logró unsignifiNo se puede reducir la conductividad térmica, y los materiales basados en elementos ligeros podrían ser candidatos para materiales termoeléctricos.Pero, todavía hay otro problema en que la nanoestructura dispersó no solo los fonones sino también los electrones, lo que resultó en una reducción del factor de energía termoeléctrica.
Nakamura y su equipo desarrollaron con éxito películas de ZnO de bajo costo y respetuosas con el medio ambiente, incluido el nanocable de ZnO de superficie controlada estructura de nanocables Embedded-ZnO, por primera vez en el mundo. Película de estructura de nanocables ZnO integrada con alta transmitancia ópticaen el rango visible se anticipa como un material termoeléctrico transparente. En la estructura, la altura de la barrera de energía de electrones se controló modulando la concentración de dopante en la interfaz de nanocables, lo que permitió el aumento del coeficiente Seebeck debido a la transmisión selectiva de electrones de alta energía y la dispersión deelectrones de baja energía. También se anticipa una alta conductividad eléctrica porque el cristal de ZnO se forma epitaxialmente en la interfaz de nanocables, lo que conduce a una conductividad eléctrica relativamente alta de electrones de alta energía. Además, la conductividad térmica también disminuye por un aumento en la dispersión de fonones en elinterfaz de nanocables
Las estructuras de nanocables de ZnO incrustadas con una densidad de área de nanocables de más de 4 × 109 cm-2 exhibieron un factor de potencia termoeléctrica 3 veces mayor que el de la película de ZnO sin nanocables. Se confirmó que la concentración de dopante se modulaba en las interfaces por transmisiónobservación por microscopía electrónica de interfaces de nanocables. Las mediciones del coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica en el rango de baja temperatura <300 K mostraron los comportamientos anómalos atribuidos al transporte de electrones controlado por la altura de la barrera de energía. Además, se encontró que la altura de la barrera de energía era varias.decenas de meV a través del análisis teórico de los datos experimentales Además, la conductividad térmica de la estructura de nanocables Embedded-ZnO era un 20% más pequeña que la de la película de ZnO sin nanocables debido a la mejora de la dispersión de fonones debido a la introducción de la interfaz de nanocables.los resultados indican éxitos simultáneos: un aumento del factor de potencia termoeléctrica y una disminuciónde conductividad térmica.La medición óptica mostró que la estructura tenía una transmitancia óptica de aproximadamente el 60% en el rango visible, que es comparable al valor de una ventana de un edificio.
En el futuro, será posible disminuir en gran medida la conductividad térmica de la estructura de nanocables Embedded-ZnO aumentando la densidad de área de nanocables. Se espera que los dispositivos termoeléctricos compuestos de películas con esta estructura se realicen y vean un uso generalizado debido a su usode ZnO de bajo costo y respetuoso con el medio ambiente. Además, el concepto de "modulación de la altura de la barrera de energía mediante el control de la concentración de dopante" puede aplicarse no solo a ZnO sino también a otros materiales prometedores, lo que acelerará el desarrollo de varios termoeléctricos de alto rendimientomateriales
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Osaka . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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