(a) En semiconductores convencionales, los electrones fluyen del lado caliente al frío con baja movilidad causada por impurezas ionizadas. (b) En el semiconductor recientemente desarrollado sin la impureza, 2DEG puede fluir con gran movilidad. Crédito:Ohta H. et al., Ciencia avanzada, 20 de noviembre 2017
Más del 60 por ciento de la energía producida por los combustibles fósiles se pierde en forma de calor. La conversión de energía termoeléctrica ha atraído mucha atención como una forma de convertir el calor residual de las centrales eléctricas, fábricas y automóviles en electricidad. Sin embargo, Las tecnologías actualmente disponibles necesitan mejoras para que sean viables a escala industrial.
Investigadores de la Universidad de Hokkaido en Japón han propuesto el uso de electrones de alta movilidad generados en una interfaz de semiconductores llamada gas de electrones 2-D (2DEG), que puede mejorar la capacidad de los materiales termoeléctricos para convertir la energía térmica en electricidad.
Los investigadores hicieron un transistor en el 2DEG en la interfaz entre dos materiales semiconductores, nitruro de aluminio y galio y nitruro de galio. Cuando se aplicó un campo eléctrico, Las concentraciones de 2DEG podrían modularse sin reducir su alta movilidad. El "factor de potencia de 2DEG, "que es una medida de su potencia eléctrica, es de dos a seis veces más alto que la mayoría de los materiales termoeléctricos de última generación.
La conversión de energía termoeléctrica eficiente requiere materiales con alta conductividad eléctrica, baja conductividad térmica, y una gran potencia termoeléctrica que es de alto voltaje producido en respuesta a la diferencia de temperaturas en todo el material.
(Arriba) Ilustración esquemática del transistor, que puede controlar la densidad de 2DEG en la interfaz entre AlGaN y GaN. (Abajo) Fotografía del transistor durante la medición. Crédito:Ohta H. et al., Ciencia avanzada, 20 de noviembre 2017
Las técnicas de nanoestructuración actuales han logrado reducir significativamente la conductividad térmica de estos materiales, mejorando así su rendimiento. También es necesario un factor de potencia alto para una generación de energía eficiente, pero mejorarlo ha sido limitado porque necesita aumentar simultáneamente la termopotencia de un material y su conductividad eléctrica, lo cual es dificil. La conductividad eléctrica se ha mantenido baja debido a las impurezas ionizadas en el material que suprimen la movilidad de los electrones.
La aplicación de un campo eléctrico al transistor fabricado por los investigadores de la Universidad de Hokkaido permite modular tanto la termopotencia del material como su conductividad eléctrica sin suprimir su alta movilidad.
"Aunque el dispositivo no se puede utilizar como generador termoeléctrico porque es demasiado delgado, el enfoque de gas de electrones en 2-D debería abrir vías para mejorar aún más el rendimiento de los materiales termoeléctricos de última generación, "dice Hiromichi Ohta, el autor principal del estudio publicado en la revista Ciencia avanzada .
