Naukowcy opracowali nowe organiczne urządzenie termoelektryczne, które może zbierać energię z temperatury otoczenia. Podczas gdy urządzenia termoelektryczne mają obecnie wiele zastosowań, nadal istnieją przeszkody w ich pełnym wykorzystaniu. Łącząc unikalne zdolności materiałów organicznych, zespołowi udało się opracować ramy do generowania energii termoelektrycznej w temperaturze pokojowej bez żadnego gradientu temperatury. Ich odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Urządzenia termoelektryczne lub generatory termoelektryczne to seria materiałów generujących energię, które mogą zamieniać ciepło na energię elektryczną, o ile występuje gradient temperatury — gdzie jedna strona urządzenia jest gorąca, a druga strona chłodna. Takie urządzenia były znaczącym celem badań i rozwoju ze względu na ich potencjalną użyteczność w zbieraniu ciepła odpadowego z innych metod wytwarzania energii.
Być może najbardziej znanym zastosowaniem generatorów termoelektrycznych są sondy kosmiczne, takie jak łazik Curiosity na Marsie lub sonda Voyager. Maszyny te są zasilane przez radioizotopowe generatory termoelektryczne, w których ciepło generowane przez izotopy radioaktywne zapewnia gradient temperatury dla urządzeń termoelektrycznych, aby zasilać ich instrumenty. Jednak ze względu na problemy, takie jak wysokie koszty produkcji, stosowanie materiałów niebezpiecznych, niska efektywność energetyczna i konieczność stosowania stosunkowo wysokich temperatur, urządzenia termoelektryczne pozostają obecnie niewykorzystane.
„Badaliśmy sposoby na stworzenie urządzenia termoelektrycznego, które mogłoby zbierać energię z temperatury otoczenia. Nasze laboratorium koncentruje się na użyteczności i zastosowaniu związków organicznych, a wiele związków organicznych ma unikalne właściwości, dzięki którym mogą łatwo przenosić energię między sobą” — wyjaśnia profesor Chihaya Adachi z Centrum Badań Fotoniki Organicznej i Elektroniki (OPERA) Uniwersytetu Kyushu, który kierował badaniem. „Dobrym przykładem mocy związków organicznych można znaleźć w diodach OLED lub organicznych ogniwach słonecznych”.
Kluczem było znalezienie związków, które dobrze działają jako interfejsy transferu ładunku, co oznacza, że mogą łatwo przenosić elektrony między sobą. Po przetestowaniu różnych materiałów zespół znalazł dwa wykonalne związki: ftalocyjaninę miedzi (CuPc) i heksadekafluoroftalocyjaninę miedzi (F16CuPc).
„Aby poprawić właściwości termoelektryczne tego nowego interfejsu, włączyliśmy również fulereny i BCP” — kontynuuje Adachi. „Są one znane jako dobre czynniki ułatwiające transport elektronów. Dodanie tych związków razem znacznie zwiększyło moc urządzenia. Ostatecznie uzyskaliśmy zoptymalizowane urządzenie z warstwą CuPc o grubości 180 nm, warstwą F o grubości 320 nm16CuPc, 20 nm fulerenu i 20 nm BCP.”
Zoptymalizowane urządzenie miało napięcie obwodu otwartego wynoszące 384 mV i gęstość prądu zwarciowego wynoszącą 1,1 μA/cm2i maksymalną mocą wyjściową 94 nW/cm2Co więcej, wszystkie te wyniki osiągnięto w temperaturze pokojowej, bez stosowania gradientu temperatury.
„W rozwoju urządzeń termoelektrycznych nastąpił znaczny postęp, a nasze nowe proponowane urządzenie organiczne z pewnością pomoże w rozwoju”, podsumowuje Adachi. „Chcielibyśmy kontynuować pracę nad tym nowym urządzeniem i sprawdzić, czy możemy je jeszcze bardziej zoptymalizować przy użyciu różnych materiałów. Prawdopodobnie możemy nawet osiągnąć wyższą gęstość prądu, jeśli zwiększymy powierzchnię urządzenia, co jest niezwykłe nawet w przypadku materiałów organicznych. To tylko pokazuje, że materiały organiczne mają niesamowity potencjał”.
