Según los científicos, el calor residual, que llega al medio ambiente y no se utiliza, representa más del 70% de las pérdidas mundiales en el consumo de energía. Con la ayuda de materiales termoeléctricos (semiconductores especiales), el calor disipado se puede convertir en electricidad. Los materiales termoeléctricos también se pueden utilizar para diseñar dispositivos de refrigeración, que reducen el consumo de energía en aplicaciones domésticas e industriales.
La búsqueda de estos materiales es una de las tareas clave de la ciencia de materiales moderna. Un equipo de científicos de Skoltech, el Instituto Emanuel de Física Bioquímica RAS, así como otras organizaciones científicas líderes en Rusia e Israel, estudiaron cómo la adición de impurezas al telururo de plomo (PbTe), un material termoeléctrico, puede afectar sus propiedades mecánicas y extender el servicio. vida útil de un generador termoeléctrico. El artículo ha sido publicado en Applied Physics Letters .
"En los gasoductos de la región de Yamal se utiliza telururo de plomo para garantizar el funcionamiento de los sensores. Es imposible tender líneas eléctricas allí y los motores diésel requieren un control constante. En su lugar, se utilizan pequeños tubos con gas ardiendo para generar calor. En el material termoeléctrico, el calor del gas quemado se convierte en electricidad, que es suficiente para que los sensores funcionen", afirmó Ilya Chepkasov, autor principal del estudio y científico investigador principal del Centro de Transición Energética de Skoltech.
El material también tiene algunas desventajas:puede deteriorarse al entrar en contacto con materiales que tienen diferentes coeficientes de expansión térmica. El fácil deterioro puede depender del dopaje, que es el proceso de agregar impurezas a la estructura cristalina de un semiconductor para cambiar sus propiedades eléctricas y termoeléctricas y hacer que la conductividad sea controlada y predecible.
Hay dos tipos de dopaje de semiconductores. El dopaje de tipo N da como resultado un semiconductor en el que los electrones son los principales portadores de carga. El dopaje de tipo P produce un semiconductor, donde el papel principal en la transferencia de carga se atribuye a los llamados "agujeros", lugares que aparecen en un enlace electrónico después de la salida del electrón. Tienen carga positiva y se comportan como partículas positivas.
Los científicos han demostrado que el enlace químico en el PbTe de tipo n se debilita a medida que se llenan los orbitales que se aflojan. Como resultado, el material se vuelve más dúctil y, con la expansión térmica, el riesgo de degradación es menor que en el tipo p.
"Dependiendo del tipo de dopaje, las propiedades mecánicas del material pueden variar de diferentes maneras. En el PbTe tipo n, la concentración de dopantes afecta ligeramente las propiedades mecánicas. En el PbTe tipo p, hay un aumento significativo en su dureza Estudiamos la razón de este comportamiento y encontramos que el dopaje de tipo n da como resultado un electrón adicional en el orbital que se afloja. Debido a esto, el material se vuelve más dúctil. un material más frágil", añadió Chepkasov.
Los nuevos resultados ayudarán a seleccionar un dopante que mejorará las propiedades mecánicas del telururo de plomo y aumentará la durabilidad de un generador termoeléctrico. La investigación formó parte de la subvención número 19-72-30043 de la Academia de Ciencias de Rusia, titulada "Laboratorio de diseño informático de nuevos materiales". El proyecto tiene como objetivo desarrollar nuevos métodos computacionales que mejorarán significativamente las capacidades de predicción informática de materiales, teniendo en cuenta factores tan complejos como la temperatura y los efectos de correlación.
Más información: Ilya V. Chepkasov et al, Origen del comportamiento frágil de materiales termoeléctricos dopados a base de PbTe, Cartas de física aplicada (2024). DOI:10.1063/5.0185002
Información de la revista: Cartas de Física Aplicada
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo
