Термоэлектрические материалы достигли рекордной эффективности

Меркурий Канатзидис, химик из Северо-Западного университета (США), создал материал с эффективностью термоэлектрической генерации (ZT), равной 2,2 (средний КПД более 20%). Лучший предшествовавший «рекордсмен» мог рассчитывать лишь на ZT = 1,8.

Кстати, знаете ли вы, что современные термоэлектрические холодильники имеют ZT от 0,3 до 0,6? Это вшестеро ниже показателей обычных испарительных холодильников. Новый же материал, состоящий из зёрен теллурида свинца и теллурида стронция, а также небольшого количества натрия, добился эффективности, равной лучшим традиционным холодильникам, что, бесспорно, повышает перспективы термоэлектрических устройств такого типа на рынке.

Новый ТЭГ сумел перещеголять даже технику, установленную на марсоходе Curiosity. (Здесь и ниже иллюстрации Mercouri Kanatzidis.)

Коэффициент ZT выражает соотношение способности термоэлектрического материала давать ток определённого вольтажа, проводить электричество (чем выше — тем лучше, ибо тем меньше потери) и тепло (чем ниже, тем лучше, чтобы полнее успеть преобразовать его в электричество).

Чтобы добиться такой эффективности, химикам пришлось сочетать зёрна разной размерности, состоящие из разных же материалов. Самые большие зёрна — теллурида свинца — имеют диаметр в сотни, даже тысячи нанометров. Они собирают фононы с большими длинами волн. Зёрна теллурида стронция имеют диаметр от 2 до 10 нм и отвечают за фононы средней длины волны. Самые короткие волны улавливаются следовыми количествами натрия, впрыснутого в кристаллическую структуру финального материала перед его затвердеванием.

«Оценивая консервативно, полученный результат на 15–30% выше, чем у предыдущих [материалов-]рекордсменов», — отмечает г-н Канатзидис.

Что важно, продемонстрированный «композитный» подход приложим и к другим материалам, ведь теллур не только дорог, но и ядовит, то есть его массовое использование для генерации энергии из тепловых потерь трудно себе представить. Сейчас материаловед и его коллеги работают над созданием аналогичных по эффективности материалов на базе селенида и сульфида свинца, базирующихся лишь на относительно дешёвых и менее токсичных компонентах.

Но и в нынешнем виде «рекордсмен» может найти широкое применение — скажем, в космических аппаратах, использующих радиоизотопные термоэлектрические генераторы (ТЭГ), ведь он значительно эффективнее аналога, применённого в бортовом ТЭГ того же ровера Curiosity.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Nature.

Отдельные элементы нового композитного материала по эффективности не превышают стандартные термоэлектрические преобразователи, однако вместе они «конвертируют» энергию много лучше любого предшественника.

Подготовлено по материалам ScienceNOW.