Novi materiali za pretvorbo energije: oksidni polprevodni termoelektriki

V okviru projekta bomo raziskovali oksidne termoelektrične materiale, ki bi lahko v prihodnosti predstavljali učinkovito rešitev za pridobivanje elektrike iz odvečne toplote. Dandanes poznani najučinkovitejši termoelektrični materiali so bili razviti na osnovi zlitin, kot so teluridi, ki vsebujejo škodljive elemente in so pri povišanih temperaturah v atmosferskih pogojih podvrženi razpadu. V zadnjem desetletju pa so pokazali, da nekateri polprevodni oksidi izkazujejo obetajoče termoelektrične lastnosti. Uporaba oksidnih materialov namesto zlitin bi povečala stabilnost materialov v termoelektričnih pretvornikih, in tako omogočila izrabo odpadne toplote pri višjih temperaturah. Raziskovalno področje termoelektrikov je relativno novo, ter tako predstavlja možnost tako znanstvenih kot tudi tehnoloških raziskav.   Raziskave v okviru projekta bodo razdeljene v tri dele, ki bodo vključevali procesno optimizacijo poznanih termoelektričnih oksidov, raziskave novih oksidnih termoelektrikov in izdelavo prototipnih modulov iz oksidnih materialov.   V prvem delu bomo študirali korelacije med kristalno kemijo in procesnimi pogoji ter mikrostrukturo in dobljenimi termoelektričnimi lastnostmi, ki so do danes v literaturi slabo opisane. Predvsem se bomo osredotočili na kobaltate, kot so NaxCo2O4, in dopiran ZnO, ki so najboljši poznani oksidni termoelektriki tipa p in n.   Drugi del projekta bo namenjen razvoju novih oksidnih termoelektrikov s poudarkom na študiju fizikalnega ozadja izmerjenih lastnosti, kot so termomoč Seebeck-ovega koeficienta, električna prevodnost, termična prevodnost in difuzija toplote, s ciljem načrtovanja materialov z lastnostmi podobnimi fononskemu steklu-elektronskemu kristalu.   V okviru tretjega dela nameravamo iz novo razvitih termoelektričnih oksidov sestaviti prototipne termoelektrične module. Osredotočili se bomo predvsem na kar največje znižanje kontaktne upornosti med termoelementi in elektrodami z uporabo nanotehnološkega pristopa in-situ sinteze prevodnega materiala.

Raziskave v zadnjih dveh desetletjih so pokazale , da so materiali s plastno kristalno strukturo glede na kombinacijo električnih in toplotnih transportnih lastnosti najprimernješi kandidati za razvoj novih termoelektrikov. Nekateri tipi plastnih struktur namreč izkazujejo nizkodimenzionalno ujetost elektronov kar povzroči povečanje termonapetosti in prevodnosti materiala. Plastnost omogoča tudi učinkovitejše sipanje elektronov. Za izkoriščanje teh lastnosti plastnih struktur je potrebno polikristalinične materiale teksturirati za kar se največkrat uporablja metode kot so vroče stiskanje in sintranje z električnimi pulzi, ki pa so z industrijskega stališča velikokrat ekonomsko neupravičeni. Projektna skupina je nedvoumno pokazala, da je možno na osnovi koherentno zraščenih struktur s konvencionalnim sintranjem pripraviti materiale z visoko stopnjo teksturiranosti, kar je iz ekonomskega stališča izredno pomembno pri nadaljnjem razvoju področja. Nadalje je projektna skupina z uporabo atomsko ločljivostne mikroskopije in teoretičnih izračunov razkrila do sedaj še neopisane strukturne anomalije med plastmi plastnih kobaltatov. Ugotovitve odpirajo nove možnosti za zniževanje toplotne prevodnosti materialov in s tem nove pristope k načrtovanju termoelektrikov.

Raziskave termoelektričnih materialov sodijo v sklop prizadevanj za trajnostno in ekološko sprejemljivo rešitev energetskega problema. Področje se v zadnjih letih hitro razvija, kar dokazuje vse večje število publikacij in vpetost vse večjega števila raziskovalnih skupin. Projektna skupina je z začetkom raziskav termoelektričnih materialov v Sloveniji odprla novo raziskovalno področje, ki bo v prihodnosti prispevalo k uveljavljanju in prepoznavnosti države v svetu. Nadalje razvoj novih termoelektričnih materialov pomeni možnost povečanja učinkovitosti novih in obstoječih sistemov za pretvorbo energije z lastnim znanjem.