Los materiales termoeléctricos se pueden utilizar para convertir el calor residual en electricidad o para proporcionar refrigeración sin refrigerantes líquidos. y un equipo de investigación de la Universidad de Michigan ha encontrado una manera de casi duplicar la eficiencia de una clase particular de ellos fabricados con semiconductores orgánicos.
Los semiconductores orgánicos son compuestos ricos en carbono que son relativamente baratos, abundante, ligero y resistente. Pero tradicionalmente no se los ha considerado materiales termoeléctricos candidatos porque han sido ineficientes para llevar a cabo el proceso esencial de conversión de calor a electricidad.
Los materiales termoeléctricos más eficientes de hoy en día están hechos de semiconductores inorgánicos relativamente raros como el bismuto, telurio y selenio que son caros, quebradizo y, a menudo, tóxico. Todavía, logran convertir el calor en electricidad cuatro veces más eficientemente que los semiconductores orgánicos creados hasta la fecha.
Esta mayor eficiencia se refleja en una métrica conocida por los investigadores como la "figura de mérito" termoeléctrica. Esta métrica es aproximadamente 1 cerca de la temperatura ambiente para materiales termoeléctricos inorgánicos de última generación, pero solo 0,25 para semiconductores orgánicos.
Los investigadores de la U-M mejoraron el estado de la técnica en semiconductores orgánicos en casi un 70 por ciento, logrando una cifra de mérito de 0.42 en un compuesto conocido como PEDOT:PSS.
"Eso es aproximadamente la mitad de eficiente que los semiconductores inorgánicos actuales, "dijo el líder del proyecto Kevin Pipe, profesor asociado de ingeniería mecánica, así como de ingeniería eléctrica e informática. Pipe es coautor de un artículo sobre la investigación publicado en Materiales de la naturaleza el 5 de mayo 2013.
PEDOT:PSS es una mezcla de dos polímeros:el polímero conjugado PEDOT y el polielectrolito PSS. Anteriormente se ha utilizado como electrodo transparente para dispositivos como LED orgánicos y células solares, así como un agente antiestático para materiales como películas fotográficas.
Una de las formas en que los científicos e ingenieros aumentan la capacidad de un material para conducir electricidad es agregarle impurezas en un proceso conocido como dopaje. Cuando estos ingredientes agregados, llamados dopantes, unión al material huésped, le dan un portador eléctrico. Cada uno de estos portadores adicionales mejora la conductividad eléctrica del material.
En PEDOT dopado por PSS, sin embargo, sólo una pequeña fracción de las moléculas de PSS se unen realmente al PEDOT huésped; el resto de las moléculas de PSS no se ionizan y están inactivas. Los investigadores encontraron que estas moléculas de PSS en exceso inhiben drásticamente tanto la conductividad eléctrica como el rendimiento termoeléctrico del material.
"El problema es que las moléculas de PSS inactivas separan aún más las moléculas de PEDOT, dificultando que los electrones salten entre moléculas PEDOT, "Dijo Pipe." Si bien las moléculas de PSS ionizadas mejoran la conductividad eléctrica, las moléculas de PSS no ionizadas lo reducen ".
Para mejorar su eficiencia termoeléctrica, los investigadores reestructuraron el material a nanoescala. Pipe y su equipo descubrieron cómo usar ciertos solventes para eliminar algunas de estas moléculas dopantes de PSS no ionizadas de la mezcla. conduciendo a grandes aumentos tanto en la conductividad eléctrica como en la eficiencia de conversión de energía termoeléctrica.
Este material termoeléctrico orgánico en particular sería eficaz a temperaturas de hasta 250 grados Fahrenheit.
"Con el tiempo, esta tecnología podría permitirnos crear una hoja flexible, piense en Saran Wrap, que se puede enrollar o envolver alrededor de un objeto caliente para generar electricidad o proporcionar refrigeración. "Dijo Pipe.
