Новое термоэлектрическое устройство, способное собирать энергию при комнатной температуре

Исследователи из Университета Кюсю разработали новое органическое термоэлектрическое устройство, которое может извлекать энергию из окружающей температуры. Хотя термоэлектрические устройства сегодня имеют несколько применений, все еще существуют препятствия для их полного использования. Объединив уникальные возможности органических материалов, команда преуспела в разработке структуры для термоэлектрической генерации энергии при комнатной температуре без какого-либо температурного градиента. Их выводы были опубликованы в журнале Nature Communications.

Термоэлектрические устройства, или термоэлектрические генераторы, представляют собой ряд материалов, генерирующих энергию, которые могут преобразовывать тепло в электричество, пока существует температурный градиент — где одна сторона устройства горячая, а другая холодная. Такие устройства были в центре внимания исследований и разработок из-за их потенциальной полезности в сборе отработанного тепла от других способов генерации энергии.

Возможно, наиболее известное применение термоэлектрических генераторов — в космических зондах, таких как марсоход Curiosity или зонд Voyager. Эти машины питаются от радиоизотопных термоэлектрических генераторов, где тепло, вырабатываемое радиоактивными изотопами, обеспечивает температурный градиент для термоэлектрических устройств, чтобы питать бортовые приборы.

Однако из-за таких проблем, как высокая себестоимость производства, использование опасных материалов, низкая энергоэффективность и необходимость относительно высоких температур, термоэлектрические устройства сегодня остаются недостаточно используемыми.

«Мы исследовали способы создания термоэлектрического устройства, которое могло бы извлекать энергию из окружающей температуры. Наша лаборатория фокусируется на использовании и применении органических соединений, и многие органические соединения обладают уникальными свойствами, позволяющими им легко передавать энергию друг другу», — объясняет профессор Чихая Адачи из Центра исследований органической фотоники и электроники (OPERA) Университета Кюсю, который руководил исследованием.

«Хорошим примером мощи органических соединений являются органические светодиоды или органические солнечные элементы».

Ключевым моментом было найти соединения, которые хорошо работают как интерфейсы переноса заряда, то есть они могут легко переносить электроны между собой. После тестирования различных материалов команда обнаружила два жизнеспособных соединения: фталоцианин меди (CuPc) и гексадекафторфталоцианин меди (F₁₆CuPc).

«Чтобы улучшить термоэлектрические свойства этого нового интерфейса, мы также включили фуллерены и BCP», — продолжает Адачи. «Они известны как хорошие посредники электронного транспорта. Добавление этих соединений значительно увеличило мощность устройства. В итоге у нас было оптимизированное устройство со слоем CuPc толщиной 180 нм, слоем CuPc толщиной 320 нм F₁₆, слоем фуллерена толщиной 20нм и слоем BCP толщиной 20 нм».

Оптимизированное устройство имело напряжение холостого хода 384 мВ, плотность тока короткого замыкания 1,1 мкА/см² и максимальную выходную мощность 94 нВт/см²_. Причем все эти результаты были достигнуты при комнатной температуре без использования температурного градиента.

«В разработке термоэлектрических устройств достигнут значительный прогресс, и наше новое предлагаемое органическое устройство, безусловно, поможет продвинуться вперед», — заключает Адачи.

«Мы хотели бы продолжить работу над этим новым устройством и посмотреть, сможем ли мы оптимизировать его дальше с помощью других материалов. Мы даже, вероятно, сможем достичь более высокой плотности тока, если увеличим площадь устройства, что необычно даже для органических материалов. Это просто показывает, что органические материалы обладают удивительным потенциалом».

На изображении: Иллюстрация органического термоэлектрического устройства. Это новое органическое термоэлектрическое устройство может преобразовывать тепло комнатной температуры, которое ранее не считалось возможным источником энергии, в полезную электрическую энергию. Поскольку не требуется градиент температуры, то есть не требуется охлаждающее устройство, устройство можно сделать компактным.

Источник