Atık Isınının Termoelektrik Dönüşüm Verimliliğini Sınırlayan Probleme Yeni Çözüm
Son yıllarda, enerji tüketimi gelişmiş ülkelerde israf olarak nitelendirilebilecek hale geldi. Neredeyse toplam enerjinin üçte ikisi genelde “atık ısı” olarak çöpe atılıyor ve en sonunda küresel ısınmaya neden olan bir etken haline geliyor. Verimli bir şekilde bu enerjiyi kullanmak için bir yol bulmak her malzeme araştırmacısının bir önceliği haline geldi.
Bu atık ısıyı elektrik olarak kurtarabilmenin yollarından biri, “termoelektrik dönüşüm” olarak adlandırılan bir proses aracılığıyla yarı iletkenlerdeki sıcaklık farkını kullanarak atık ısıyı elektrik enerjisine dönüştürmek. Termo enerji , materyaldeki sıcaklık farkına karşılık olarak termoelektrik gerilimden kaynaklanan bir büyüklüğün ölçüsü. Elektrik gücü, termo güç kare ve elektronik iletkenliğin ürünü olan güç faktörü ile değerlendirilir. Bu nedenle, yüksek elektrik gücü , termoelektrik malzemelerde büyük termo gücü ile yüksek termoelektrik malzemeleri birleştirme yeteneğine sahiptir.
Ancak güç faktörü, termo gücü ve elektronik iletkenlik arasındaki takas sebebiyle kısıtlı. Termo güç ve elektrik iletkenliği taşıyıcı konsantrasyona bağlıdır, dahası güç faktörü genellikle ilave yabancı elementler ile birlikte taşıyıcı konsantrasyonu ayarlanarak maksimum hale getirilir- elektronik iletkenliği, artan yabancı madde konsantrasyonu ile artar ancak termo güç azalır. Bu takas durumu güç faktörünü kısıtlar.
Son zamanlarda Advanced Science’da yayımlanan bir çalışmada, Tokyo Tech Doçenti Takayoshi Katase önderliğindeki bir takım, bu değiş tokuş durumunu ortadan kaldıracak bir yol keşfetti. Bilim insanları Mott yalıtkan oksitin ince filmlerini farklı substratlar üzerinde büyütüp epitaxial filmlerin ve substratların kafes yapılarındaki uyumsuzluğundan doğan epitaxial türünü tanıtmanın bir yolunu buldu. Yapay basınç gerilimi mott yalıtkanından LaTiO3 metale değiştirebiliyordu. Metalik durumda termo güç ve elektrik iletkenliğinin her ikisi içinde arttırmak güç faktöründe yüz kere daha fazla artışla sonuçlandı. “Geleneksel yöntemin kirlilik dopingi şeklinden farklı olarak, elektrik iletkenliği ve termo gücün davranışları LaTiO3 filmlerinde oldukça ayrıştı. Bu durum da geleneksel bilgeliğe meydan okuyan güç faktöründe muhteşem bir artışa yol açıyor.” dedi Doktor Katase.
Artan epitaksiyel basınç gerilimi p tipinden n tipine taşıyıcıdaki polarlık değişimine neden olabilir. Dr. Katase ve ekibi, basınç gerilimi altında artan taşıyıcı konsantrasyonu ile termogücün mutlak değerinin arttığını, Mott yalıtkanından metale elektronik yapı değişikliği nedeniyle taşıyıcı hareketliliğinin artmasıyla elektronik iletkenliğin de arttığını buldu. Yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplaması, Ti 3D bandının p-tipi LaTiO3 filmde enerji boşluğu oluşturmak üzere ayrıldığını, n-tipi filmde enerji boşluğunun kapatıldığını ve bunun da iletkenlik ve termogüçte olağandışı bir eşzamanlı artışa yol açtığını açıkladı.
Bu keşif, termoelektrik malzemeler alanını geliştirmek için vaatlerde bulunuyor. “Deneyimiz, bu takas sırasında hacimlerindeki göze çarpmayan termoelektrik oksitlerden büyük enerji faktörlerini kullanmak için epitaxial türleri alışılmışın dışında bir öneri sunuyor. Bi2Te3 gibi metal kalkojenitler yüksek performanslı termo elektrik malzemeler olarak biliniyor, ancak kalkojenitler toksik elementlerle problemleri var ve düşük termal ve kimyasal kararlılığı termo elektriğin kullanımını büyük ölçekte kısıtlıyor. Aksine, oksitler havada kararlı olduklarından ve yüksek sıcaklıklarda bile termoelektrik dönüşüm uygulamalarında bakım gerektirmedikleri için idealdirler. Termoelektrik dönüşüm verimliliği bu aşamada metal kalkojenitlerden daha düşüktür. Ancak, takas ilişkisinin ötesindeki oksitlerin termoelektrik performansını oldukça geliştirerek termoelektrik dönüşümün genel bir enerji kaynağı olarak yaygın hale gelmesi bekleniyor.” sözleri ile tamamlıyor Dr. Katase.
Kaynak: phys.org
