El continuo agotamiento de los recursos energéticos basados ​​en combustibles fósiles nos está conduciendo hacia una creciente crisis energética. En consecuencia, esto ha puesto en marcha una búsqueda de recursos alternativos sostenibles. La conversión de energía termoeléctrica, un proceso de generación de electricidad a partir del calor residual, ha cobrado impulso como la próxima tecnología potencial de recolección de energía. Los generadores hechos de materiales termoeléctricos se utilizan para recolectar energía térmica a través del "efecto Seebeck". La diferencia de temperatura en el material termoeléctrico crea un flujo de portadores de carga, generando energía eléctrica.

Para una conversión eficiente, un material termoeléctrico debe tener una alta eficiencia de conversión (ZT), que necesita un alto coeficiente de Seebeck (S), una alta conductividad electrónica (σ) y una baja conductividad térmica (κ). Se sabe que el material seleniuro de estaño (SnSe) presenta una ZT récord en su forma monocristalina. Sin embargo, el rendimiento se deteriora en los policristales prácticos debido a una σ baja y una κ alta.

En un estudio reciente publicado en Advanced Science , un equipo de investigadores de Japón, dirigido por el profesor asociado Takayoshi Katase del Instituto de Tecnología de Tokio (Tokyo Tech) logró mejorar la ZT de SnSe policristalino al demostrar una σ alta y una κ baja simultáneamente. El equipo logró este notable avance mediante la introducción de iones de telurio (Te) en la estructura de SnSe.

Sin embargo, había una trampa. La solubilidad de Te ^2- iones en el Se ^2- El sitio de SnSe es extremadamente bajo en equilibrio térmico debido a un desajuste de tamaño entre los dos iones, lo que limita severamente la sustitución de iones. El equipo abordó este desafío mediante la adopción de un proceso de crecimiento sin equilibrio de dos pasos, que les permitió aumentar el Te ^2- límite de concentración x hasta 0,4 en Sn(Se_1-x Te_x ) cristales a granel.

"La adición de un ion del mismo estado de valencia generalmente no aumenta la concentración de portadores en los semiconductores iónicos. Sin embargo, en nuestro caso, la sustitución de Te ^2- iones en el Se ^2- El sitio en SnSe aumentó la concentración de portadores en tres órdenes de magnitud, lo que llevó a un alto σ. Además, la sustitución del ion Te redujo drásticamente el κ a menos de un tercio de su valor a temperatura ambiente", dice el Dr. Katase.

Ha habido dos estrategias principales para lograr la σ alta y la κ baja en los policristales de SnSe. Uno es agregar iones con un estado de valencia diferente, como iones alcalinos, para aumentar la concentración de portadores. Otro es controlar la segregación de impurezas para la dispersión de fonones. Por lo tanto, hay muchas complicaciones involucradas en la síntesis de SnSe policristalino de alto rendimiento.

El equipo, sin embargo, demostró que la sustitución de iones de Te isovalente aumenta σ y reduce κ, simultáneamente. ¿Cómo? El equipo llevó a cabo cálculos de primeros principios para dilucidar el mecanismo subyacente a la mejora en ZT. Los cálculos mostraron que el ion Te grande en SnSe formaba enlaces Sn-Te débiles. Este enlace Sn-Te se disocia fácilmente y se forma una alta densidad de vacantes de Sn en la estructura, lo que conduce a una alta concentración de huecos. Además, los enlaces Sn-Te débiles reducen la frecuencia de fonones (frecuencia de vibración de la red) y mejoran la dispersión de fonones, lo que da como resultado un κ bajo.

El estudio, por lo tanto, presenta un nuevo método para agregar iones de gran tamaño más allá de sus límites de equilibrio, que podría guiar futuros estudios sobre la optimización de las propiedades electrónicas y térmicas de los policristales termoeléctricos de SnSe. "Creemos que nuestros hallazgos allanarían el camino hacia materiales termoeléctricos prácticos y de alto rendimiento", dice el Dr. Katase.

Ciertamente esperamos que su visión no esté demasiado lejos de hacerse realidad. + Explora más

Conmutación de varios tipos de semiconductores para impulsar la conversión termoeléctrica del calor residual