La promesse des matériaux thermoélectriques en tant que source d'énergie propre a conduit à la recherche de matériaux capables de produire efficacement des quantités substantielles d'énergie à partir de la chaleur résiduelle.

Les chercheurs ont signalé un grand pas en avant vendredi, publier dans Avancées scientifiques la découverte d'une nouvelle explication des performances thermoélectriques asymétriques, le phénomène qui se produit lorsqu'un matériau très efficace sous une forme qui porte une charge positive est beaucoup moins efficace sous une forme qui porte une charge négative, ou vice versa.

Zhifeng Ren, Chaire M. D. Anderson Professeur de physique à l'Université de Houston, directeur du Texas Center for Superconductivity à UH et auteur correspondant de l'article, ont déclaré avoir développé un modèle pour expliquer la disparité de performance non résolue auparavant entre les deux types de formulations. Ils ont ensuite appliqué le modèle pour prédire de nouveaux matériaux prometteurs pour produire de l'électricité en utilisant la chaleur résiduelle des centrales électriques et d'autres sources.

Les chercheurs savaient déjà que l'efficacité thermoélectrique dépend des performances du matériau sous les deux formes, connu sous le nom de "type p" et "type n" pour porter une charge positive et négative, respectivement. Mais la plupart des matériaux n'existent pas dans les deux formulations ou un type est plus efficace que l'autre.

Un nouveau matériau prometteur synthétisé

Il est possible de construire des dispositifs thermoélectriques efficaces en utilisant uniquement un composé de type p ou de type n, mais il est plus facile de concevoir un appareil qui contient les deux types; Ren a déclaré que les meilleures performances viendraient lorsque les deux types présentent des propriétés similaires.

Les chercheurs ont synthétisé l'un des matériaux prédits, un composé zirconium-cobalt-bismuth, et a signalé une efficacité de conversion de chaleur en électricité mesurée de 10,6 % à la fois du côté froid, environ 303 Kelvin, ou environ 86 degrés Fahrenheit, et le côté chaud, environ 983 Kelvin (1, 310 Fahrenheit) pour le type p et le type n.

juin Mao, chercheur post-doctorant à l'UH et premier auteur du rapport, ont déclaré avoir déterminé que les performances asymétriques de certains matériaux sont liées au fait que la charge se déplace à des vitesses différentes dans les deux types de formulation. "Si le mouvement de charge à la fois de la charge positive, pour le type p, et la charge négative, pour le type n, est similaire, les performances thermoélectriques des deux types sont similaires, " il a dit.

Sachant que, ils ont pu utiliser le rapport de mobilité pour prédire les performances de formulations non étudiées auparavant.

« Quand les performances thermoélectriques d'un type de matériau ont été étudiées expérimentalement, tandis que l'autre type n'a pas encore été étudié, il est possible de prédire le ZT en utilisant la relation identifiée entre l'asymétrie et le rapport de mobilité pondéré, " ont écrit les chercheurs. ZT, ou la figure du mérite, est une métrique utilisée pour déterminer l'efficacité avec laquelle un matériau thermoélectrique convertit la chaleur en électricité.

Un nouveau modèle prédit des matériaux hautement efficaces

Hangtian Zhu, chercheur post-doctorant à l'UH et autre premier auteur du rapport, ladite étape suivante consiste à déterminer comment formuler le type de matériau correspondant, une fois qu'un matériau avec une efficacité élevée dans le type p ou le type n est trouvé.

Cela peut nécessiter des expérimentations pour déterminer le meilleur dopant - les chercheurs ajustent les performances en ajoutant une infime quantité d'un élément supplémentaire au composé, connu sous le nom de "dopage" - pour améliorer les performances, dit Zhu.

C'est là qu'intervient la nouvelle compréhension des performances asymétriques. Zhu a déclaré en prédisant quels composés auront des performances élevées dans les deux types, les chercheurs sont encouragés à continuer à rechercher la meilleure combinaison, même si les premiers efforts n'ont pas abouti.