Catturare l'elettricità con un nuovo metodo efficace

Scienza Cina Press

immagine: (a) Diagramma schematico che mostra l'assemblaggio di un modulo basato su Mg3Sb2 mediante sinterizzazione ad alta temperatura assistita da pressione. Vengono utilizzati materiali d'apporto per brasatura Al-Si-Cu. (b) Assemblaggio di un modulo basato su Mg3Sb2 mediante giunzione a bassa temperatura e bassa pressione con l'ausilio di pasta composita Ag. (c) Variazione di massa e flusso di calore per la pasta composita Ag durante 10 cicli termici da 523 K a 773 K. (d) Confronto della variazione di resistenza prima e dopo la saldatura con pasta composita Ag.vedere di più

Credito: ©Science China Press

Essendo una delle soluzioni più promettenti per migliorare l’efficienza di utilizzo dei combustibili fossili e alleviare l’inquinamento ambientale, la tecnologia di generazione di energia termoelettrica (TE) presenta i vantaggi del funzionamento a stato solido, funzionamento senza parti mobili, manutenzione gratuita e servizio esteso. Negli ultimi decenni sono stati compiuti sforzi considerevoli per migliorare le prestazioni dei materiali TE. E compaiono alcune leghe eccellenti, come i composti IV-VI (ad esempio SnSe, GeTe e PbSe), skutterudites e Cu2Se. Questi progressi senza precedenti nel miglioramento delle prestazioni dei materiali TE rappresentano un importante passo avanti che preannuncia applicazioni diffuse dei dispositivi TE. Tuttavia, i progressi nella tecnologia dei dispositivi TE sono progrediti meno rapidamente. Gli sforzi attuali si concentrano principalmente su questioni relative a gamba singola o unicoppia, come la progettazione di elettrodi, lo screening degli strati barriera e l'ottimizzazione dell'interfaccia. Una gamba singola è molto utile per valutare il potenziale di un particolare materiale TE, ma è ancora lontana dalle applicazioni pratiche. Per quanto riguarda le applicazioni industriali, è necessario sviluppare moduli costituiti da materiali TE sia di tipo n che di tipo p. Tuttavia, lo sviluppo dei moduli è più impegnativo della fabbricazione di una singola gamba. Ulteriori questioni dovrebbero essere affrontate in modo elaborato, come lo sviluppo di materiali TE di tipo n e di tipo p, l'ottimizzazione della geometria delle gambe TE, la saldatura e l'assemblaggio di più gambe e la valutazione dell'efficienza e dell'affidabilità dei moduli. Inoltre, la maggior parte dei componenti TE attualmente utilizzati o studiati contengono elementi rari (ad esempio Te) o elementi tossici (ad esempio Pb), che rappresentano un potenziale ostacolo per applicazioni su larga scala.

Negli ultimi anni, i composti a base di Mg3Sb2 hanno attirato un notevole interesse da parte della comunità TE a causa della loro natura non tossica, dell’abbondanza di elementi costitutivi e dell’eccellente robustezza meccanica. Ispirandosi alla transizione del Mg3Sb2 di tipo p nel Mg3Sb2 di tipo n, la ricerca successiva su questo tipo di composto è fiorita. Negli ultimi cinque anni sono stati compiuti progressi significativi, ottenendo miglioramenti nelle prestazioni della TE. Questo risultato incoraggiante rende i composti a basso costo e rispettosi dell’ambiente a base di Mg3Sb2 promettenti sostituti delle leghe all’avanguardia contenenti Te o Pb per la generazione di energia TE a media temperatura. E recentemente ha acceso un intenso interesse di ricerca nello sviluppo dei loro dispositivi. A livello di singola gamba, sono stati compiuti sforzi in termini di sintesi scalabile di Mg3Sb2 di tipo n, progettazione di interfacce di giunzione affidabili e screening di strati barriera. Un risultato degno di nota è che un’efficienza a gamba singola di circa il 10% potrebbe essere raggiunta con una differenza di temperatura di 400 K con una temperatura della sorgente di calore di 700 K, indicando un buon potenziale per applicazioni di generazione di energia a media temperatura. A livello di unicoppia o modulo, diversi composti TE di tipo p, come Bi2Te3, MgAgSb, GeTe, CdSb e CoSb3, sono stati utilizzati per l'accoppiamento con n-Mg3Sb2. I moduli realizzati con diverse combinazioni di materiali hanno offerto eccezionali prestazioni di generazione di energia nell'intervallo di temperature basse e medie.

Tuttavia, è evidente che questi moduli sono tutti fabbricati utilizzando composti TE di tipo n e p con genitori diversi. A causa del diverso TE e delle proprietà chimiche di queste leghe di tipo n e p, sono necessarie una progettazione ingombrante della geometria del dispositivo e la selezione individuale di strati barriera adeguati. In modo più critico, i moduli TE per la produzione di energia di solito funzionano con grandi gradienti di temperatura (ad esempio 300~500 K per applicazioni di generazione di energia a temperature medie) e temperature fluttuanti, quindi le differenze nei parametri fisici dei materiali TE di tipo n e p, come il coefficiente di dilatazione termica comporterà elevate sollecitazioni termiche che possono facilmente portare al guasto del dispositivo durante il servizio. Inoltre, le differenze nel punto di fusione e nella lavorabilità dei diversi materiali TE di tipo n e p impongono ulteriori vincoli al processo di saldatura e assemblaggio. Pertanto, esiste un forte desiderio di sviluppare moduli TE efficienti e robusti utilizzando gli stessi composti TE principali, in modo che un'eccellente corrispondenza delle proprietà dei materiali faciliti la fabbricazione dei moduli e garantisca un funzionamento stabile a lungo termine. Ed è stato ben dimostrato in applicazioni reali, ad esempio, i moduli Bi2Te3 disponibili in commercio, i moduli PbTe e i moduli SiGe utilizzati dalla NASA nell'esplorazione dello spazio profondo, che sono tutti realizzati con gli stessi materiali TE di tipo n e p. .