Los materiales termoeléctricos pueden convertir una diferencia de temperatura en electricidad. Los materiales termoeléctricos orgánicos podrían usarse para alimentar sensores o dispositivos electrónicos portátiles; sin embargo, la potencia de salida sigue siendo muy baja. Un equipo internacional dirigido por Jan Anton Koster, Profesor de Física de Semiconductores en la Universidad de Groningen, ahora ha producido un semiconductor orgánico de tipo n con propiedades superiores que acerca estas aplicaciones un gran paso más. Sus resultados fueron publicados en la revista Comunicaciones de la naturaleza el 10 de noviembre.

El generador termoeléctrico es la única fuente de energía creada por el hombre fuera de nuestro sistema solar:ambas sondas espaciales Voyager, que se lanzaron en 1977 y ahora se encuentran en el espacio interestelar, funcionan con generadores que convierten el calor (en este caso, proporcionada por una fuente radiactiva) en una corriente eléctrica. "Lo mejor de estos generadores es que son dispositivos de estado sólido, sin partes móviles, "explica Koster.

Conductividad

Sin embargo, el material termoeléctrico inorgánico utilizado en los generadores de la Voyager no es adecuado para aplicaciones más mundanas. Estos materiales inorgánicos contienen elementos tóxicos o muy raros. Es más, suelen ser rígidos y quebradizos. "Por eso está aumentando el interés por los materiales termoeléctricos orgánicos, "dice Koster. Sin embargo, estos materiales tienen sus propios problemas. El material termoeléctrico óptimo es un vidrio de fonón, que tiene una conductividad térmica muy baja (por lo que puede mantener una diferencia de temperatura) y también un cristal de electrones con alta conductividad eléctrica (para transportar la corriente generada). Koster dice:"El problema con los semiconductores orgánicos es que generalmente tienen una conductividad eléctrica baja".

Sin embargo, más de una década de experiencia en el desarrollo de materiales fotovoltaicos orgánicos en la Universidad de Groningen ha llevado al equipo por el camino hacia un mejor material termoeléctrico orgánico. Centraron su atención en un semiconductor de tipo n, que lleva una carga negativa. Para un generador termoeléctrico, Se necesitan semiconductores tanto de tipo n como de tipo p (con carga positiva), aunque la eficiencia de los semiconductores orgánicos de tipo p ya es bastante buena.

Buckyballs

El equipo usó fullerenos ('buckyballs, 'compuesto por sesenta átomos de carbono) con una cadena lateral de tipo trietilenglicol doble añadida a ellos. Para aumentar la conductividad eléctrica, se añadió un n-dopante. "Los fullerenos ya tienen una conductividad térmica baja, pero agregar las cadenas laterales lo hace aún más bajo, por lo que el material es un muy buen vidrio phonon, "dice Koster." Además, estas cadenas también incorporan el dopante y crean una estructura muy ordenada durante el recocido. "Este último hace que el material sea un cristal eléctrico, con una conductividad eléctrica similar a la de los fullerenos puros.

"Ahora hemos fabricado el primer cristal eléctrico de vidrio phonon orgánico, "Dice Koster." Pero la parte más emocionante para mí son sus propiedades termoeléctricas ". Estas se expresan por el valor ZT. La T se refiere a la temperatura a la que opera el material, mientras que Z incorpora las otras propiedades del material. El nuevo material aumenta el valor ZT más alto de su clase de 0,2 a más de 0,3, una mejora considerable.

Sensores

"Un valor ZT de 1 se considera una eficiencia comercialmente viable, pero creemos que nuestro material ya podría usarse en aplicaciones que requieran un bajo rendimiento, "dice Koster. Para alimentar los sensores, por ejemplo, Se requieren algunos microvatios de potencia y estos podrían ser producidos por un par de centímetros cuadrados del nuevo material. "Nuestros colaboradores en Milán ya están creando generadores termoeléctricos utilizando fullerenos con una sola cadena lateral, que tienen un valor ZT más bajo que el que tenemos ahora ".

Los fullerenos, la cadena lateral y el dopante están todos fácilmente disponibles y la producción del nuevo material probablemente se pueda ampliar sin demasiados problemas, según Koster. Está muy contento con los resultados de este estudio. "El artículo tiene veinte autores de nueve grupos de investigación diferentes. Utilizamos nuestro conocimiento combinado de química orgánica sintética, semiconductores orgánicos, dinámica molecular, estudios estructurales de conductividad térmica y rayos X para obtener este resultado. Y ya tenemos algunas ideas sobre cómo aumentar aún más la eficiencia ".