La promesa de los materiales termoeléctricos como fuente de energía limpia ha impulsado la búsqueda de materiales que puedan producir de manera eficiente cantidades sustanciales de energía a partir del calor residual.

Los investigadores informaron un gran paso adelante el viernes, publicando en Avances de la ciencia el descubrimiento de una nueva explicación para el rendimiento termoeléctrico asimétrico, el fenómeno que ocurre cuando un material que es altamente eficiente en una forma que lleva una carga positiva es mucho menos eficiente en la forma que lleva una carga negativa, o viceversa.

Zhifeng Ren, Profesor de la Cátedra M. D. Anderson de Física en la Universidad de Houston, director del Centro de Superconductividad de Texas en la UH y autor correspondiente del artículo, dijeron que han desarrollado un modelo para explicar la disparidad no tratada previamente en el desempeño entre los dos tipos de formulaciones. Luego aplicaron el modelo para predecir nuevos materiales prometedores para generar energía utilizando el calor residual de las plantas de energía y otras fuentes.

Los investigadores ya sabían que la eficiencia termoeléctrica depende del rendimiento del material en ambas formas, conocido como "tipo p" y "tipo n" por llevar una carga positiva y negativa, respectivamente. Pero la mayoría de los materiales no existen en ambas formulaciones o un tipo es más eficiente que el otro.

Nuevo material prometedor sintetizado

Es posible construir dispositivos termoeléctricos efectivos usando solo un compuesto tipo p o tipo n, pero es más fácil diseñar un dispositivo que contenga ambos tipos; Ren dijo que el mejor desempeño vendría cuando ambos tipos exhiban propiedades similares.

Los investigadores sintetizaron uno de los materiales predichos, un compuesto de circonio-cobalto-bismuto, e informó una eficiencia de conversión de calor a electricidad medida del 10,6% tanto en el lado frío, alrededor de 303 Kelvin, o unos 86 grados Fahrenheit, y el lado caliente, aproximadamente 983 Kelvin (1, 310 Fahrenheit) tanto para el tipo p como para el tipo n.

Jun Mao, investigadora postdoctoral en la UH y primera autora del informe, Dijeron que determinaron que el desempeño asimétrico de algunos materiales está relacionado con el hecho de que la carga se mueve a ritmos diferentes en los dos tipos de formulación. "Si el movimiento de carga tanto de la carga positiva, para tipo p, y la carga negativa, para tipo n, es similar, el rendimiento termoeléctrico de ambos tipos es similar, " él dijo.

Sabiendo que, pudieron usar el índice de movilidad para predecir el rendimiento de formulaciones no estudiadas previamente.

"Cuando se ha estudiado experimentalmente el rendimiento termoeléctrico de un tipo de material, mientras que el otro tipo aún no ha sido investigado, es posible predecir el ZT utilizando la relación identificada entre la asimetría y la razón de movilidad ponderada, "escribieron los investigadores. ZT, o la figura del mérito, es una métrica que se utiliza para determinar la eficiencia con la que un material termoeléctrico convierte el calor en electricidad.

El nuevo modelo predice materiales altamente eficientes

Hangtian Zhu, un investigador postdoctoral en la UH y el otro primer autor del informe, dijo que el siguiente paso es determinar cómo formular el tipo de material correspondiente, una vez que se encuentra un material con una alta eficiencia en tipo p o tipo n.

Eso puede requerir experimentación para determinar el mejor dopante:los investigadores modifican el rendimiento agregando una pequeña cantidad de un elemento adicional al compuesto, conocido como "dopaje":para mejorar el rendimiento, Dijo Zhu.

Ahí es donde entra la nueva comprensión del rendimiento asimétrico. Zhu dijo que al predecir qué compuestos tendrán un alto rendimiento en ambos tipos, Se anima a los investigadores a seguir buscando la mejor combinación, incluso si los primeros esfuerzos no tuvieron éxito.