Термоэлектрические (ТЭ) генераторы являются тем, что уже давно рассматривается в качестве перспективной технологии, подходящей для преобразования в электрическую энергию тепла, просто выбрасываемого в окружающую среду с выхлопными газами автомобилей или промышленными предприятиями, к примеру.
Несмотря на массу исследований, проведенных в данном направлении, созданные термоэлектрические генераторы являются устройствами, работающими при достаточно высоких температурах. Однако, недавно, исследователи из университета Осаки, совместно с инженерами компании Hitachi, Ltd., разработали новый материал с достаточно высокими термоэлектрическими параметрами и эффективностью работы при комнатной температуре.
Термоэлектрические генераторы, изготовленные из специальных материалов, вырабатывают электрический ток в случае, если их одна сторона нагрета сильней, чем вторая. Помимо этого, термоэлектрический эффект может работать и в обратную сторону, регулируя электрический ток через материал, подаваемый от внешнего источника, можно поддерживать заданный температурный градиент между сторонами материала. Все термоэлектрические материалы обладают достаточно высокой электрической проводимостью, плюс низкой теплопроводностью, что не допускает произвольного выравнивания температурного градиента. Эффективность работы термоэлектрического материала выражается значением параметра, называемого коэффициентом мощности, который пропорционален электрической, тепловой проводимости и константе, называемой коэффициентом Сибека (Seebeck coefficient).
“К сожалению, в состав большинства термоэлектрических материалов входят редкие и дорогие или токсичные элементы” – пишут исследователи, – “Мы же объединили обычный и распространенный кремний с иттербием, получив силицид иттербия (YbSi2). Мы сделали выбор в пользу иттербия в силу нескольких причин. Во-первых, большинство его соединений хорошо проводят электричество, во-вторых, силицид иттербя является нетоксичным материалом. Кроме этого, материал обладает уникальным свойством, называемым колебаниями валентности, что делает его эффективным термоэлектрическим материалом при нормальной температуре окружающей среды”.
Часть атомов иттербия, входящих в состав YbSi2, имеют валентность +2, а другая часть – +3. При этом, в материале постоянно происходит “колебательный эффект”, называемый резонансом Кондо (Kondo resonance), когда валентность атомов начинает изменяться от одного значения к другому и наоборот. Все это увеличивает значение коэффициента Сибека и обеспечивает достаточно сильный термоэлектрический эффект при комнатной температуре.
Еще одним преимуществом YbSi2 является его необычная “слоистая” структура. Атомы иттербия формируют кристаллографические плоскости, подобные тем, которые существуют в чистом металле. Атомы же кремния формируют листы с шестиугольной решеткой, напоминающие графит, расположенные между кристаллографическими плоскостями иттербия. Такая структура эффективно подавляет удельную теплопроводность материала, а еще большего подавления теплопроводности можно добиться путем введения в материал дефектов, примесей и создания наноразмерных структур.
В результате всех ухищрений ученых новый материал демонстрирует высокий коэффициент мощности в 2.2 мВт/м*К^2 при комнатной температуре. Такой показатель уже сопоставим с аналогичным показателем самых эффективных термоэлектрических материалов на основе токсичного теллурида висмута. “Успешное использование иттербия демонстрирует, что путем отбора “правильных” материалов можно получить необходимый набор параметров, требующихся для обеспечения высокой эффективности термоэлектрического материала” – рассказывает Кен Куросаки (Ken Kurosaki), – “И термоэлектрические генераторы, изготовленные из таких материалов, позволят нам сократить потери энергии, возникающие при ежедневном пользовании обычными бытовыми технологиями”.