照明やコンピューターなどのデバイスで使用されるすべてのエネルギーの約 3 分の 2 が熱として失われるため、電力に費やされたお金の約 3 分の 2 は燃やされる可能性があります。しかし、科学者が熱から電気を生成するための重要な実用的なしきい値を超える、いわゆる熱電材料を考案したため、その無駄なエネルギーの一部を再利用する可能性が改善されました.
太陽電池の光起電力化合物が光から電気を生成するのと同じように、熱電材料は熱を電気に変換します。これにより、たとえば、ハイブリッド車のガソリン エンジンからの廃熱の一部を使用して、車のバッテリーを充電する可能性が高まります。イリノイ州エバンストンにあるノースウェスタン大学の無機化学者、Mercouri Kanatzidis は次のように述べています。 「その後、そのエネルギーを元の場所に戻します。たとえば、車の走行距離を延ばします。」もちろん、限界があります。熱力学の第 2 法則によれば、廃熱を発生させずにデバイスを実行することは不可能です。
固体内では、熱は「フォノン」として知られる原子や分子の小さな量子力学的振動と考えることができます。原子スケールの構造と電気特性により、熱電材料はこの振動エネルギーを電子の流れに変換します。熱電材料の一方の端がもう一方の端よりも高い場合、電圧差が 2 つの端の間に発生し、材料が電流を生成できるようになります。これは電池のようなものです。
科学者は熱電材料の性能を ZT として知られる尺度で評価します。ZT は、物質が電圧を生成する能力だけでなく、電気を伝導する能力 (高いはずです) と熱を伝導する能力 (高いはずです) も考慮します。低い）。研究者が達成した最高の ZT 値は 1.6 から 1.8 の間でしたが、研究者は 2 の値に到達することを望んでいました。 「2 以上の範囲の ZT は、産業用太陽光発電で見られるものと同様に、12 ～ 17% の範囲の熱から電気への全体的な変換効率を表します」と Kanatzidis 氏は言います。 (2 の ZT は、1 の ZT のほぼ 2 倍の効率です。)
新しい熱電材料は、主に鉛とテルルで構成されています。過去の研究では、テルル化鉛が、エンジンやその他のホットスポットで見られるような高温で最高の熱電システムであることがわかっています。研究者たちは、フォノンからエネルギーを吸収するために 3 つの異なる手法を採用しました。材料内では、数百から数千ナノメートルの幅の半導体テルル化鉛の粒子が、より長い波長のフォノンを吸収します。また、幅 2 ～ 10 ナノメートルのテルル化ストロンチウムの沈殿物は、より短い波長をターゲットにします。最後に、材料の結晶構造内に注入された微量のナトリウムは、最も短い波長を追跡します。その結果、この材料は世界記録の ZT 2.2 を達成します。 「これは控えめに言っても、以前の記録保持者よりも 15 ～ 30% 効率的です」と Kanatzidis 氏は言います。科学者たちは今日、Nature にオンラインで調査結果を詳述しました .
「強化された熱電特性を備えた新しい材料を作成することは常に課題です。たとえば、高い電気伝導率と低い熱伝導率など、自然が単一の材料で常に与えたいとは限らない特性が必要だからです」と、物理学者のドナルド・モレリは述べていますイースト ランシングにあるミシガン州立大学は、この研究には関与していません。 「複数の長さスケールで材料の構造を工学的に設計することに基づいて、彼らがここで使用するアプローチは、非常に一般化可能なものです。それを半導体材料に適用できない理由はありません」—マイクロチップで使用される種類のもの.
Kanatzidis らは現在、2.5 や 3 など、さらに高い ZT 値を持つ材料を設計したいと考えています (3 の ZT は、1 の ZT の約 2.4 倍の効率です)。プラチナと同じくらい希少なテルルが必要です。より安価な候補には、セレン化鉛と硫化鉛が含まれます。
