El seleniuro de estaño podría exceder considerablemente la eficiencia de los materiales termoeléctricos que contienen el récord actual hechos de telururo de bismuto. Sin embargo, se pensaba que su eficiencia aumentaba drásticamente solo a temperaturas superiores a los 500 grados Celsius. Ahora, las mediciones en las fuentes de sincrotrón BESSY II y PETRA IV muestran que el seleniuro de estaño también se puede utilizar como material termoeléctrico a temperatura ambiente, siempre que se aplique alta presión.

El efecto termoeléctrico se conoce desde 1821:con ciertas combinaciones de materiales, una diferencia de temperatura genera una corriente eléctrica. Si se calienta un extremo de la muestra, por ejemplo, utilizando el calor residual de un motor de combustión, luego, parte de esta energía que de otro modo se habría perdido se puede convertir en energía eléctrica. Sin embargo, el efecto termoeléctrico en la mayoría de los materiales es extremadamente pequeño. Esto se debe a que para lograr un gran efecto termoeléctrico, la conducción de calor debe ser deficiente, mientras que la conductividad eléctrica debe ser alta. Sin embargo, la conducción de calor y la conductividad eléctrica casi siempre están estrechamente asociadas.

Por esta razón, la búsqueda de materiales termoeléctricos se concentra en compuestos con estructuras cristalinas especiales como el telururo de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ). El telururo de bismuto es uno de los mejores materiales termoeléctricos conocidos hasta la fecha. Sin embargo, tanto el bismuto como el telurio son elementos raros, que limitan su uso a gran escala. De modo que continúa la búsqueda de materiales termoeléctricos adecuados entre los elementos no tóxicos más abundantes.

Hace seis años, un equipo de investigación de los EE. UU. descubrió que el seleniuro de estaño por encima de los 500 grados Celsius puede convertir aproximadamente el 20 por ciento del calor en energía eléctrica. Se trata de una eficacia enorme y supera considerablemente el valor del telururo de bismuto. Además, abundan el estaño y el selenio.

Este efecto termoeléctrico extremadamente grande está relacionado con una transición de fase o una reordenación de la estructura cristalina del seleniuro de estaño. La estructura cristalina del seleniuro de estaño consta de muchas capas, similar al filo o hojaldre. A 500 grados Celsius, las capas comienzan a autoorganizarse y la conducción de calor disminuye, mientras que los operadores de carga siguen siendo móviles. La eficacia del efecto termoeléctrico en esta orientación cristalográfica del seleniuro de estaño no ha sido superada por ningún otro material hasta la fecha.

Trabajos de alta presión

Un equipo internacional dirigido por el Dr. Ulrich Schade en el HZB ha examinado exhaustivamente muestras de seleniuro de estaño con la ayuda de espectroscopia infrarroja en BESSY II y rayos X duros en PETRA IV. Las mediciones muestran que la estructura cristalina deseada se produce ya sea por alta temperatura a presión normal o alta presión (por encima de 10 GPa) a temperatura ambiente. Las propiedades electrónicas también cambian de semiconductoras a semimetálicas en la estructura de alta temperatura. Esto se ajusta a las predicciones de los cálculos teóricos del modelo y también a los cálculos de la estructura de bandas.

"Podemos explicar con nuestros datos y nuestros cálculos por qué el seleniuro de estaño es un material termoeléctrico tan sobresaliente en un amplio rango de temperatura y presión, ", dice Schade. Será necesario un mayor trabajo de desarrollo para garantizar la estabilidad a largo plazo, por ejemplo, antes de que los dispositivos termoeléctricos basados ​​en seleniuro de estaño realmente salieran al mercado, aunque. Entonces, el seleniuro de estaño podría convertirse en una alternativa económica y fácilmente disponible al telururo de bismuto.