Микитюк О.Ю.

Вищий державний навчальний заклад України

«Буковинський державний медичний університет»

Наноматеріали для термоелектричного перетворення енергії

Термоелектричні пристрої, що здатні безпосередньо максимально ефективно перетворювати теплову енергію на електричну і навпаки, є дуже привабливими для різноманітних застосувань у багатьох технічних галузях, а також у медицині. При наявності теплового градієнта термоелектричний генератор (ТЕГ) здатний перетворювати тепло в електричний струм навіть при малих температурних відмінностях.

TEГ є компактними, міцними та надійними, оскільки не містять рухомих механічних частин. Наприклад, вони можуть бути використані як альтернатива фотоелектричним елементам [1], або разом із сучасними фотоелектричними елементами [2], для перетворення сонячної енергії в електричну.

Різноманітні промислові процеси потребують великої кількості тепла, що витрачається і розсіюється в навколишньому середовищі в кінці виробничого циклу, оскільки його не можна перетворити за допомогою звичайних термодинамічних систем. Всі ці промислові процеси могли б зручно використовувати ТЕГ для відновлення більшої частини цього некорисно втраченого тепла.

Ще однією областю застосування ТЕГ є отримання енергії. Наприклад, тепло тіла людини може бути використане для живлення носіїв сенсорних систем або для живлення персональної електроніки.

Однак, використання сучасних технологій обмежує застосування ТЕГ, оскільки ефективність їх термічного та електричного перетворення залишається досить низькою. Це, в основному, пов'язано з обмеженнями матеріалів, які в даний час доступні для виготовлення термоелектричних генераторів. Матеріали з властивостями, здатними до перетворення з ефективністю більшою, ніж 10%, розробляються.

Зокрема, одним з найбільш обмежувальних факторів, що знижують ефективність, є дифузія тепла через ТЕГ внаслідок теплопровідності: більша частина тепла проходить через генератор і витрачається на холодній стороні без перетворення в корисну електричну потужність. Таким чином, однією з головних цілей дослідницьких зусиль у термоелектриці є розробка матеріалів з дуже низькою теплопровідністю при збереженні високої електропровідності. При цьому нагрівання внаслідок виділення тепла Джоуля, яке є незворотним процесом, зменшується і високі електричні струми можуть бути доставлені до зовнішнього навантаження.

У цьому аспекті наноструктуровані матеріали мають значні переваги щодо традиційних матеріалів для термоелектричного перетворення. Розробка матеріалів для широкомасштабного застосування термоелектричного генерування енергії повинна враховувати компроміс між оптимальними термоелектричними властивостями, з однієї сторони, та доступністю матеріалу, вартістю, стійкістю і технологічними аспектами з іншої сторони [3]. У цьому відношенні кремній є другим найбільш поширеним елементом на поверхні Землі, це дуже стійкий і біосумісний матеріал. Крім того, через свою популярність на електронному ринку, кремній є одним з найбільш відомих матеріалів як з фізичної, так і з технологічної точки зору, і є центром всесвітньої виробничої інфраструктури.

Термоелектричні застосування кремнію в даний час обмежені високою теплопровідністю (148 Вт / мК). Проте, в ряді досліджень спостерігається сильне зменшення теплопровідності в нанонитках з кремнію [4]. З цієї причини розвиваються технології виготовлення кремнієвих наноструктур, які можуть бути інтегровані в пристрої для термоелектричного перетворення енергії.

Збільшене фононне поверхневе розсіювання в нанонитках може зменшити їх теплопровідність на два порядки (до декількох Вт/мК), порівняно з об’ємним кремнієм. При цьому електропровідність кремнієвих нанотрубок розмірами більшими, ніж 20 нм, майже не змінилася щодо об'ємної електропровідності, яка контролюється за допомогою відомих процесів легування кремнію. Тому нанодроти є дуже перспективним способом використання кремнію як термоелектричного матеріалу з кращою ефективністю, ніж у інших матеріалів. Важливо, що кремній є дуже стійким і біосумісним матеріалом. В майбутніх дослідницьких роботах потребують вирішення проблеми надійності, повторюваності на великих площах і механічної стійкості дуже довгих і дуже вузьких нанониток кремнію. Крім того, технології на основі кремнію значною мірою доступні та широко поширені, оскільки їх дослідження та вдосконалення стимулюються постійним зростанням електронного ринку. Наприклад, технологія металевих контактів на кремнії, які є важливими для електричних взаємозв'язків між елементами пристроїв ТЕГ, дуже добре відома. І, навпаки, повний розвиток рішень та технологій для виготовлення контактів вимагається для багатьох інноваційних термоелектричних матеріалів.

Література.

1. Baranowski L. L. Concentrated solar thermoelectric generators. / L. L. Baranowski, G. J. Snyder, E. S. Toberer. // Energy Environ. Sci.. – 2012. – №5. – P. 9055–9067.

2. Performance optimization analyses and parametric design criteria of a dye-sensitized solar cell thermoelectric hybrid device / [S. Su, T. Liu, Y. Wang and other]. // Appl.Energy. – 2014. – №120. – P. 16–22.

3. Nanostructure-based thermoelectric conversion: an insight into the feasibility and sustainability for large-scale deployment / [G. G. Yadav, J. A. Susoreny, G. Zhang and other]. // Nanoscale. – 2011. – №3. – P. 3555–3562.

4. Shi L. Thermal and Thermoelectric Transport in Nanostructures and Low-Dimensional Systems. / L. Shi. // Nanoscale and Microscale Thermophysical Engineering. – 2012. – №16. – P. 79–116.