Los materiales termoeléctricos dependen del movimiento de portadores de carga (electrones o huecos) y portadores de calor (fonones) para generar electricidad. La eficiencia de este proceso de conversión está determinada por dos factores clave:la conductividad eléctrica y la conductividad térmica. Idealmente, un buen material termoeléctrico debería tener una alta conductividad eléctrica para facilitar el transporte de carga y al mismo tiempo poseer una baja conductividad térmica para minimizar la pérdida de calor.
Sin embargo, lograr este equilibrio puede ser un desafío. En la mayoría de los materiales, el aumento de la conductividad eléctrica a menudo conduce también a un aumento de la conductividad térmica. Esta compensación se conoce como ley de Wiedemann-Franz.
Las impurezas pueden romper esta correlación mediante la introducción de mecanismos de dispersión adicionales para los fonones, los portadores de calor. Cuando los fonones encuentran estas impurezas, su movimiento se interrumpe, lo que reduce la conductividad térmica. Al mismo tiempo, la presencia de impurezas puede mejorar la conductividad eléctrica al introducir nuevos estados energéticos que facilitan el transporte de portadores de carga.
Este concepto de ingeniería de impurezas se ha demostrado con éxito en diversos materiales termoeléctricos. Por ejemplo, en el material ampliamente estudiado telururo de bismuto (Bi2Te3), se ha demostrado que la introducción de pequeñas cantidades de impurezas como selenio (Se) o antimonio (Sb) mejora significativamente su rendimiento termoeléctrico.
Estas impurezas introducen estados resonantes cerca del nivel de Fermi, que mejoran la conductividad eléctrica al aumentar la densidad de los portadores de carga disponibles. Además, las impurezas dispersan los fonones, reduciendo la conductividad térmica. Como resultado, se mejora la eficiencia termoeléctrica general del Bi2Te3.
Otro ejemplo de ingeniería de impurezas exitosa es la adición de elementos de tierras raras como iterbio (Yb) o erbio (Er) al telururo de plomo (PbTe). Estas impurezas introducen estados electrónicos localizados que mejoran la conductividad eléctrica, mientras que sus masas atómicas pesadas contribuyen a la dispersión de fonones, reduciendo la conductividad térmica.
Al seleccionar y controlar cuidadosamente el tipo y la concentración de impurezas, los científicos pueden adaptar las propiedades de los materiales termoeléctricos a nivel atómico, logrando un delicado equilibrio entre la conductividad eléctrica y la conductividad térmica. Este enfoque es muy prometedor para el desarrollo de materiales termoeléctricos de alto rendimiento para aplicaciones de conversión de energía eficiente, como la recuperación de calor residual y la generación de energía portátil.
En conclusión, las impurezas, a menudo percibidas como perjudiciales, pueden resultar beneficiosas cuando se trata de materiales termoeléctricos. Al introducir impurezas específicas a nivel atómico, los científicos pueden mejorar la conductividad eléctrica y al mismo tiempo reducir la conductividad térmica, mejorando en última instancia la eficiencia termoeléctrica general de estos materiales. Este concepto de ingeniería de impurezas abre interesantes vías para el diseño y optimización de dispositivos termoeléctricos de próxima generación.
