Čínští vědci dosáhli rekordní účinnosti: Nové termoelektrické materiály přemění teplo na elektřinu s 59% zlepšením

Výzkumný tým vedený profesorem Zhang Jianem z Institutu fyziky pevných látek Čínské akademie věd, ve spolupráci s profesorem Xiao Chongem a profesorem Zhang Yongshengem, dosáhl rekordní špičkové hodnoty ZT 2,03 při 873 K u termoelektrických materiálů na bázi chalkopyritu.

Výzkumný tým vedený profesorem Zhang Jianem z Institutu fyziky pevných látek Čínské akademie věd, ve spolupráci s profesorem Xiao Chongem a profesorem Zhang Yongshengem, dosáhl rekordní špičkové hodnoty ZT 2,03 při 873 K u termoelektrických materiálů na bázi chalkopyritu. Využili k tomu inovativní strategii dvojitých antisitových defektů, která představuje významný krok vpřed v oblasti efektivní přeměny tepla na elektřinu.

Tento objev je zásadní, protože termoelektrické materiály jsou klíčové pro využití odpadního tepla a jeho přeměnu na užitečnou elektrickou energii. Běžnou výzvou v jejich vývoji je překonání kompromisu, kdy zlepšení jedné vlastnosti (například elektrické vodivosti) často zhoršuje druhou (tepelnou izolaci). Nová strategie umožňuje materiálu efektivněji vést elektřinu a zároveň blokovat teplo, což otevírá cestu k výrazně účinnějším zařízením.

Vědci vyvinuli novou strategii legování stříbrem a indiem (Ag/In), která zavádí dvojité antisitové defekty do krystalové mřížky termoelektrického systému Cu0.7Ag0.3Ga1-xInxTe2. Tyto defekty vznikají, když si určité atomy vymění pozice v krystalové mřížce, a pomáhají oddělit procesy transportu tepla a elektřiny. Optimalizace složení materiálu stabilizovala tyto defekty. Stříbro a indium nejenže podpořily tvorbu defektů, ale také snížily zkreslení mřížky a podpořily homogenní tuhý roztok, čímž zabránily fázovému oddělení. Tyto strukturální úpravy zvýšily koncentraci nosičů náboje, udržely vysokou pohyblivost nosičů a zlepšily Seebeckův koeficient, zatímco rozptyl fononů (nosičů tepla) výrazně snížil tepelnou vodivost.

Výsledkem je, že optimalizovaný materiál Cu0.7Ag0.3Ga0.6In0.4Te2 dosáhl špičkové hodnoty ZT 2,03 při 873 K a průměrné ZT 0,61 v rozsahu 300–873 K. To představuje přibližně 59% zlepšení oproti původnímu materiálu CuGaTe2. Tato práce demonstruje nový způsob, jak navrhovat vysoce výkonné termoelektrické materiály, a ukazuje, že pečlivě navržené defekty mohou překonat typické kompromisy a umožnit účinnější přeměnu energie.