Un grupo de investigación dirigido por el profesor Yoshiaki Nakamura de la Universidad de Osaka desarrolló con éxito una metodología para mejorar el factor de potencia termoeléctrica mientras se reduce la conductividad térmica. Al introducir nanocables de ZnO en películas de ZnO, el factor de potencia termoeléctrica se convirtió en tres veces mayor que el de la película de ZnO sin nanocables de ZnO.

Para el desarrollo de materiales termoeléctricos de alto rendimiento, a menudo se han utilizado elementos pesados ​​costosos y tóxicos; sin embargo, el alto costo y la toxicidad han limitado el uso social de dichos materiales termoeléctricos. En esta investigación, Nakamura y su equipo desarrollaron películas nanoestructuradas novedosas (estructura de nanocables de ZnO incrustado) compuestas de ZnO de bajo costo y respetuoso con el medio ambiente. En las películas reveladas, el factor de potencia termoeléctrica se incrementó mediante la transmisión selectiva de electrones energéticos a través de interfaces de nanocables con barreras de energía controladas intencionalmente, y la conductividad térmica se redujo mediante la dispersión de fonones en las interfaces de nanocables. Se prevé que el éxito de esta investigación conducirá a la realización de dispositivos termoeléctricos transparentes de alto rendimiento, que permitirá la recuperación de energía de objetos transparentes como cristales de ventanas y dispositivos electrónicos transparentes.

La generación termoeléctrica que convierte el calor en electricidad ha llamado mucho la atención como nueva fuente de energía. Se prevé que el vidrio de ventana con diferentes temperaturas interiores y exteriores como fuente de calor para la generación termoeléctrica, requiriendo materiales termoeléctricos transparentes con alto rendimiento termoeléctrico. El rendimiento termoeléctrico requiere un alto coeficiente de Seebeck, alta conductividad eléctrica, y baja conductividad térmica. Sin embargo, estos tres parámetros están intercorrelacionados, conduciendo a dificultades en la mejora del rendimiento. Hasta aquí, Los materiales de elementos pesados ​​costosos y tóxicos con baja conductividad térmica se han utilizado a menudo para el desarrollo de materiales termoeléctricos de alto rendimiento. limitando el uso de generación termoeléctrica. Por otra parte, Los materiales basados ​​en elementos ligeros de bajo costo y respetuosos con el medio ambiente exhiben un bajo rendimiento termoeléctrico debido a su alta conductividad térmica en general. Sin embargo, se informó que la nanoestructuración logró una reducción significativa de la conductividad térmica, y los materiales basados ​​en elementos ligeros podrían ser candidatos para materiales termoeléctricos. Pero, Todavía hay otro problema en que la nanoestructura dispersa no solo fonones sino también electrones, resultando en una reducción del factor de potencia termoeléctrica.

Nakamura y su equipo desarrollaron con éxito películas de ZnO de bajo costo y respetuosas con el medio ambiente, incluyendo nanocables de ZnO de superficie controlada (estructura de nanocables de ZnO incrustado), por primera vez en el mundo. La película de estructura de nanocables de ZnO incrustado con alta transmitancia óptica en el rango visible se anticipa como un material termoeléctrico transparente. En la estructura, la altura de la barrera de energía electrónica se controló modulando la concentración de dopante en la interfaz de nanocables, lo que permitió el aumento del coeficiente de Seebeck debido a la transmisión selectiva de electrones de alta energía y la dispersión de electrones de baja energía. También se prevé una alta conductividad eléctrica porque el cristal de ZnO se forma epitaxialmente en la interfaz de nanocables, conduciendo a una conductividad eléctrica relativamente alta de electrones de alta energía. Es más, La conductividad térmica también disminuye por un aumento en la dispersión de fonones en la interfaz de nanocables (Figura 1).

Estructuras de nanocables de ZnO incrustadas con densidad de área de nanocables de más de 4 × 10 ⁹ cm ^-2 exhibió un factor de potencia termoeléctrica 3 veces mayor que el de la película de ZnO sin nanocables (Figura 2). Se confirmó que la concentración de dopante se moduló en las interfaces mediante observación de microscopía electrónica de transmisión de interfaces de nanocables. Las mediciones del coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica en un rango de temperatura baja ( <300 K) mostró los comportamientos anómalos atribuidos al transporte de electrones controlado por la altura de la barrera de energía. Es más, Se encontró que la altura de la barrera de energía era de varias decenas de meV a través del análisis teórico de los datos experimentales. Además, La conductividad térmica de la estructura de nanocables de ZnO incrustado fue un 20% más pequeña que la de la película de ZnO sin nanocables debido a la mejora de la dispersión de fonones debido a la introducción de la interfaz de nanocables. Estos resultados indican éxitos simultáneos:un aumento del factor de potencia termoeléctrica y una disminución de la conductividad térmica. La medición óptica mostró que la estructura tenía una transmitancia óptica de aproximadamente el 60% en el rango visible, que es comparable al valor de una ventana de un edificio (Figura 3).

Trabajo futuro

En el futuro, será posible disminuir en gran medida la conductividad térmica de la estructura de nanocables de ZnO incrustado aumentando la densidad de área de los nanocables. Se espera que los dispositivos termoeléctricos compuestos de películas con esta estructura se realicen y vean un uso generalizado debido a su uso de ZnO de bajo costo y respetuoso con el medio ambiente. Es más, El concepto de "Modular la altura de la barrera de energía mediante el control de la concentración de dopantes" puede aplicarse no solo al ZnO sino también a otros materiales prometedores. lo que acelerará el desarrollo de diversos materiales termoeléctricos de alto rendimiento.