Новый термоэлектрический генератор получает энергию от комнатного тепла

Ученые из Японии разработали новое органическое устройство, которое может собирать энергию из тепла. В отличие от других термоэлектрических генераторов, этот работает при комнатной температуре без градиента тепла.

Термоэлектрические устройства, или термоэлектрические генераторы, представляют собой ряд энергогенерирующих материалов, которые могут преобразовывать тепло в электричество при наличии температурного градиента, при котором одна сторона устройства горячая, а другая — холодная. Такие устройства были в центре внимания исследований и разработок из-за их потенциальной полезности для сбора отработанного тепла от других методов производства энергии.

Возможно, самое известное применение термоэлектрических генераторов — в космических зондах, таких как марсоход Curiosity или зонд Voyager. Эти машины питаются от радиоизотопных термоэлектрических генераторов, где тепло, выделяемое радиоактивными изотопами, обеспечивает температурный градиент для термоэлектрических устройств для питания их приборов. 

Тем не менее, из-за таких проблем, как высокая стоимость производства, использование опасных материалов, низкая энергоэффективность и необходимость относительно высоких температур, термоэлектрические устройства сегодня остаются недостаточно используемыми.

Обычно, чем больше температурный градиент, тем лучше термоэлектрический генератор, но теперь ученые из Университета Кюсю в Японии нашли способ использовать относительно низкую энергию, доступную от комнатной температуры, вообще без градиента.

Вместо этого новое устройство работает по принципу, называемому разделением зарядов. Тепло окружающего воздуха заставляет отрицательные электроны и положительные электронные «дырки» в материале разделяться и двигаться в разных направлениях, генерируя ток.

Материалы, о которых идет речь, являются органическими соединениями, которые могут легко переносить электроны друг между другом. Различные типы этих соединений укладываются тонкими слоями, как лестницы, и тепло дает электронам или дыркам достаточно энергии, чтобы перейти на следующую «ступень».

После долгих проб и ошибок различных комбинаций соединений команда исследователей остановилась на устройстве со 180-нанометровым слоем медного фталоцианина, 320 нм-слоя медного гексадекафторфталоцианина, 20 нм-слоя фуллерена и 20 нм-слоя батокупроина.

Конечный результат имел напряжение холостого хода 384 милливольта, плотность тока 1,1 мкА/см² и максимальную выходную мощность 94 нВт/см². Конечно, это крошечное количество электроэнергии, но, учитывая, что она поступает от комнатной температуры, это может быть перстпективной технологией.

«Мы хотели бы продолжить работу над этим новым устройством и посмотреть, сможем ли мы оптимизировать его с помощью различных материалов», — сказал профессор Чихая Адачи, ведущий автор исследования. «Мы даже можем достичь более высокой плотности тока, если увеличим площадь устройства, что необычно даже для органических материалов. Это показывает, что органические материалы обладают удивительным потенциалом».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.