211service.com
Förvandla spillvärme till kraft
Kisel, i form av solceller, är bra på att generera elektricitet från solljus. Ny forskning visar att det också kan göra en bra termoelektrisk: ett material som omvandlar värme till elektricitet och vice versa. Eftersom kisel är rikligare än de ledande termoelektriska materialen och har en enorm tillverkningsinfrastruktur bakom sig, kan det så småningom ge billiga enheter för att generera kraft från motorers spillvärme eller från solvärme.
Cool kund: Den här bilden, producerad av ett svepelektronmikroskop, visar en grov nanotråd av kisel som överbryggar två värmedynor - en fungerar som en värmekälla och den andra som en sensor. Forskare har funnit att 50 nanometer breda kiselnanotrådar har drastiskt lägre värmeledningsförmåga än bulkkisel men behåller sin elektriska ledningsförmåga. Således visar nanotrådarna potential som termoelektriska material - sådana som omvandlar värme till elektricitet och vice versa.
I veckans Natur , University of California, Berkeley, kemiprofessor Peidong Yang och hans kollegor rapporterar att de har tillverkat nanotrådar av kisel som genererar elektricitet när en temperaturskillnad appliceras över dem. Fram till nu har kisel ansetts vara ett dåligt termoelektriskt material. Men enligt Yang är nanotrådarnas prestanda redan jämförbar med det bästa befintliga termoelektriska materialet.
Termoelektriska enheter har funnits sedan början av 1960-talet, vanligtvis gjorda av antingen vismuttellurid eller blytellurid. De används främst för kylning: när en spänning appliceras över ett termoelektriskt material blir det varmare på ena sidan och svalare på den andra. Termoelektriska kylare används populärt i bärbara picknickkylare och kylande bilsäten.
Men mer spännande tillämpningar ligger inom energieffektivitet och energigenerering. Termoelektrik skulle kunna användas för att omvandla spillvärme som genereras av bilmotorer till elektricitet. Ännu mer attraktivt är tanken på att termoelektrik utnyttjar solens värme för att skapa elektricitet. Men vismuttellurid och blytellurid är inte tillräckligt effektiva, så enheter gjorda av dem är både dyra och skrymmande, eftersom de kräver mer material.
Termoelektrik skulle behöva vara minst dubbelt så effektiv som den nu ska användas för billig elproduktion, säger Mildred Dresselhaus , en termoelektrisk pionjär och professor i fysik och elektroteknik vid MIT. Att använda strukturer i nanoskala istället för bulkkristaller av materialen kan öka deras effektivitet, säger hon. Nanostrukturer blockerar värmeflödet men tillåter elektroner att flöda lätt. Men att bearbeta och nanostrukturera vismuttellurid är inte lätt.
Silicon, å andra sidan, är mycket lättare att bearbeta, har en stor processinfrastruktur bakom sig, säger Yang. Kisel har också en mycket lägre kostnad än vismuttellurid. Problemet med kisel är att det är en dålig termoelektrisk. En bra termoelektrisk måste vara två saker: en bra elektrisk ledare och en dålig värmeledare. Kisel leder både värme och el mycket bra.
Yang och hans kollegor minskade kiselns värmeledningsförmåga genom att använda nanotrådar av kisel. De tillverkade en rad nanotrådar av kisel som är mellan 20 och 300 nanometer i diameter. Nanotrådsyntes innebär ofta att en nanopartikel blir flytande och att den får den att växa, ungefär som ett hårstrå. Men det ger nanotrådar med släta ytor. Den kemiska etsningsmetod som Yangs team använder resulterar istället i nanotrådar som har grova ytor. Forskarna fann att ledningar som är cirka 50 nanometer breda behåller elektrisk ledningsförmåga men har bara en hundradel av värmeledningsförmågan. Detta resulterar i en termoelektrisk verkningsgrad nära den för vissa kommersiella vismuttelluridmaterial.
Ingen aktuell teori förklarar varför nanotrådarnas värmeledningsförmåga minskar så drastiskt. En av anledningarna, tror Yang, är att de nästan endimensionella nanotrådarna och ledningarnas grova kanter blockerar flödet av fononer, som är partiklar som bär värme. Men hela bilden är fortfarande oklar.
Ali Shakouri , en elektroteknikprofessor vid University of California, Santa Cruz, säger att forskare måste förstå hur fysiken fungerar innan de kan förbättra tekniken tillräckligt för att producera kommersiella enheter. Dessutom har användningen av nanotrådar för energiomvandling och kraftgenerering sina egna begränsningar, säger Shakouri. Sådana applikationer kräver stora arrayer av nanotrådar, men i Natur papper, mätte Yang och hans kollegor de elektriska egenskaperna hos enskilda nanotrådar. Forskarna måste se till att dessa egenskaper översätts till hela nanotrådar, säger Shakouri: Variationer och interaktioner mellan nanotrådar kan ta bort vissa fördelar.
Ändå, säger han, är det här ett viktigt arbete som kan få stor inverkan. Shakouri pekar inte bara på demonstrationen av kisel potential som termoelektrisk, utan också på den unika teknik som forskarna använde för att tillverka grova nanotrådar. Det nya sättet att leka med materialegenskaper är väldigt intressant, säger han. Det skulle kunna öppna upp ett sätt att förbättra termoelektrik som kan appliceras på andra material.
Yang och hans kollegor funderar redan på hur de kan förbättra sina nanotrådars prestanda. De planerar att minska storleken på nanotrådarna och göra deras ytor grövre än de redan är. Det borde förbättra deras termoelektriska egenskaper, säger Yang. Forskarna planerar också att tillverka och testa en verklig termoelektrisk enhet med hjälp av nanotrådar av kisel.