Istraživački tim je razvio termoelektrični materijal zasnovan na bizmut teluridu (Bi-Te) sa veštački formiranim defektima atomske skale i predložio rešenje za poboljšanje njegovih svojstava kako bi se iskoristila izgubljena toplotna energija. Ovo je poluprovodnička tehnologija koja se primenjuje na termoelektrične generatore koji proizvode električnu energiju recikliranjem otpadne toplote ispod 200℃ iz industrijskih i transportnih sektora kao što su fabrike, automobili i brodski motori. Termoelektrični generatori energije su kombinacija poluprovodnika p-tipa i n-tipa koji reverzibilno pretvaraju temperaturne razlike u električnu energiju i obrnuto.
Do sada su se istraživanja fokusirala na poboljšanje svojstava termoelektričnih materijala p-tipa koji se sastoje od bizmuta (Bi) i telura (Te). S druge strane, termoelektrični poluprovodnici n-tipa koji sadrže selen (Se) sporo poboljšavaju svoja svojstva zbog poteškoća u kontrolisanju sastava i mikrostrukture, što je istaknuto kao prepreka komercijalizaciji termoelektrične tehnologije.
Istraživački tim se fokusirao na termoelektrične poluprovodnike n-tipa, koji određuju performanse termoelektričnih generatora energije, i napravio je proboj koji je decenijama zaustavljen. Ključ za napredak leži u doping materijalu i proizvodnom procesu. Studija je objavljena u časopisu ACS Applied Materials & Interfaces.
Doping materijali su elementi koji se dodaju radi poboljšanja električne provodljivosti poluprovodnika. Prepoznajući da će bizmut telurid p-tipa sa antimonom (Sb) kao doping materijalom verovatno postići optimalne performanse, tim je razvio materijal n-tipa koji uključuje antimon (Sb) umesto selena (Se), koji se obično koristi kao doping materijal za bizmut telurid n-tipa .
Tim je takođe razvio metodu za veštačko izazivanje „atomskih defekata“ koji promovišu formiranje elektrona i „mreže dislokacija“ koje rasipaju prenos rešetkastih fonona, medijuma za prenos toplote, tokom procesa proizvodnje termoelektričnih materijala n-tipa, što rezultira većim električnim provodljivosti i niže toplotne provodljivosti. Tehnologija koristi put metalurgije praha koji se stavlja u kalup, zagreva, a zatim sinteruje, što olakšava proizvodnju termoelektričnih materijala u dizajniranom obliku i veličini.
Termoelektrični poluprovodnik n-tipa razvijen ovom tehnologijom jasno pokazuje termička i električna svojstva potrebna za termoelektrične uređaje, kao što je više nego udvostručenje električne provodljivosti uz smanjenje toplotne provodljivosti. Konkretno, očekuje se da se termoelektrična tehnologija tima, koja se može pohvaliti odličnim performansama konverzije energije i omogućava laku kombinaciju materijala, primeniti na reciklažu toplote na oko 200℃ na sobnoj temperaturi, uključujući toplotu ljudskog tela.
Tržište termoelektričnih generatora raste po CAGR od 8,2% i očekuje se da će dostići 1,18 milijardi dolara na globalnom nivou do 2029. Istraživački tim trenutno razvija termoelektranu u saradnji sa LIVINGCARE Co., Ltd. Pored toga, tim sprovodi fundamentalna studija za sistem za proizvodnju električne energije za rekuperaciju otpadne toplote proizvedene iz kalupa za livenje kroz saradnju sa fabrikom Hiundai Motor Compani u Ulsanu.
Dr Kiung Tae Kim, koji vodi ovo istraživanje, rekao je: „Ova studija je postavila odskočnu dasku ka rešavanju kontrole svojstava termoelektričnog poluprovodnika n-tipa, što je bila prepreka za reciklažu različitih vrsta otpadne toplote ispod 200℃.
„Značaj leži u razvoju tehnologije nanostrukturiranih termoelektričnih materijala sa kontrolisanim defektima na atomskom nivou koristeći tradicionalnu tehnologiju metalurgije praha.“
