Kemajuan yang keren dalam konversi termoelektrik
Electronics

Kemajuan yang keren dalam konversi termoelektrik


Kredit: Institut Teknologi Massachusetts

Lebih dari dua pertiga energi yang digunakan di seluruh dunia pada akhirnya dikeluarkan sebagai “limbah panas”. Di dalam reservoir energi yang terbuang itu terdapat peluang besar dan sebagian besar belum dimanfaatkan, klaim para ilmuwan di Departemen Ilmu dan Teknik Nuklir (NSE) MIT. Seperti diberitakan dalam terbitan baru-baru ini Komunikasi Alam, tim MIT — dipimpin oleh Asisten Profesor Mingda Li, yang mengepalai Quantum Matter Group NSE — telah mencapai terobosan dalam pembangkitan termoelektrik, yang menawarkan cara langsung untuk mengubah energi panas, termasuk limbah panas, menjadi listrik.

Gradien suhu, atau perbedaan, dalam material seperti logam atau semikonduktor, melalui fenomena yang dikenal sebagai efek Seebeck, dapat menimbulkan tegangan listrik yang menggerakkan arus. “Untuk banyak bahan, efek termoelektrik terlalu rendah untuk digunakan,” jelas Ilmuwan Riset NSE Fei Han. “Tujuan kami adalah menemukan bahan dengan efisiensi konversi yang cukup tinggi untuk membuat pembangkitan termoelektrik lebih praktis.”

Efisiensi konversi energi termoelektrik sebanding dengan suhu material, konduktivitas listrik, dan sesuatu yang disebut kuadrat “thermopower”; itu berbanding terbalik dengan konduktivitas termal. Karena efisiensi meningkat seiring dengan suhu, sebagian besar bahan termoelektrik yang digunakan saat ini beroperasi dalam kisaran ratusan derajat celcius. “Tapi dalam hidup kita, sebagian besar barang di sekitar kita berada pada suhu ruangan,” kata Han. “Itulah mengapa kami mencoba menemukan bahan baru yang bekerja secara efektif pada atau di bawah suhu kamar.”

Dalam hal efisiensi konversi, Li mencatat, “sebagian besar perhatian telah dikhususkan untuk meningkatkan konduktivitas listrik dan menurunkan konduktivitas termal, daripada berfokus pada thermopower, meskipun efisiensi meningkat dengan kuadrat thermopower.” Juga dikenal sebagai koefisien Seebeck, thermopower didefinisikan sebagai tegangan dibagi dengan perbedaan suhu di seluruh material. “Ketika thermopower naik, konduktivitas listrik turun, yang dapat membuat tindakan penyeimbangan yang rumit,” kata Li. Tetapi kelompoknya telah menunjukkan bahwa mekanisme baru dapat mengoptimalkan konduktivitas listrik dan thermopower, sehingga berkontribusi pada tujuan peningkatan efisiensi.

Penelitian eksperimental Li telah dipandu oleh makalah teoritis yang diterbitkan oleh Liang Fu, profesor fisika MIT, dan mantan postdoc Brian Skinner dan mantan Ph.D. siswa Vladsyslav Kozii — semuanya berkontribusi pada Komunikasi Alam kertas juga. Dalam penelitian sebelumnya, Fu dan rekan-rekannya berpendapat bahwa medan magnet yang kuat akan meningkatkan efek termoelektrik dalam apa yang disebut semimetal Weyl topologi.

Jenis bahan ini memiliki karakteristik yang sama dengan logam dan semikonduktor, tetapi juga memiliki ciri khusus. Semimetal Weyl topologi memiliki titik-titik tunggal — seperti lingkaran rambut (atau kerudung) yang ditemukan di atas kulit kepala — yang memberikan sifat elektronik yang tidak biasa; sifat lain berasal dari kesimetrian struktur kristal itu sendiri. Keuntungan dalam thermopower yang diprediksi oleh Fu dan rekan-rekannya akan muncul dari novel “efek Hall kuantum termoelektrik”.

“Ketika medan magnet cukup tinggi untuk menimbulkan efek ini,” jelas NSE Ph.D. Mahasiswa Nina Andrejevic, “nilai universal konduktivitas Hall termoelektrik mendekati, dan bahkan jika medan magnet bervariasi, nilai konduktivitas Hall tidak akan berubah setelah itu.” Konduktivitas Hall termoelektrik yang diinduksi ini, dia menambahkan, “akan menjadi kontributor dominan untuk thermopower, serta kontributor dominan pada faktor daya total.”

Li dan timnya menyiapkan sampel topologi Weyl semimetal, tantalum fosfida (TaP), yang diberkahi dengan properti yang disesuaikan, untuk menguji hipotesis Fu. Mensintesis kristal TaP ini adalah tugas yang sulit, komentar mahasiswa pascasarjana NSE Thanh Nguyen, “melibatkan beberapa trial-and-error karena ini adalah materi baru [only known since 2015] bahwa resepnya belum sepenuhnya dioptimalkan. Anda dapat mengotak-atik jumlah relatif tantalum dan fosfida dan menyesuaikan suhu oven, serta waktu Anda ‘memanggang’ bahan, untuk memenuhi tingkat kepadatan pembawa muatan yang diperlukan. Ukuran kristal juga harus cukup besar untuk memfasilitasi pengukuran presisi tinggi. “Pada akhir proses itu, mereka mengambil kristal TaP yang dihasilkan — dipangkas menjadi strip tipis — dipanaskan salah satu ujungnya dan, di bawah pengaruh a Medan magnet 9-tesla, mengukur konduktivitas listrik dan termal serta tegangan induksi.

Studi ini menghasilkan beberapa hasil yang signifikan, meskipun terkait: Para peneliti MIT adalah yang pertama menunjukkan bahwa efek Hall kuantum termoelektrik memang dapat dibangkitkan dalam semimetal Weyl. Karena efek itu, lebih dari itu, mereka memperoleh nilai termopower yang sangat tinggi. Selain itu, kristal TaP mereka mencapai rekor “faktor daya” yang tinggi — produk konduktivitas listrik dan thermopower kuadrat — yang merupakan komponen penting dari efisiensi konversi termoelektrik.

“Ini adalah pencapaian signifikan yang mungkin mengarah pada aplikasi baru untuk bahan topologi,” tegas fisikawan Stony Brook University, Qiang Li, yang juga memimpin Kelompok Bahan Energi Lanjut di Brookhaven National Laboratory.

Faktor daya yang dicapai oleh kelompok MIT adalah 10 kali lebih besar daripada yang diamati pada bahan termoelektrik lainnya, tetapi nilai itu dicapai pada 40 kelvin — suhu yang relatif dingin yang membuat kelompok tersebut tidak memecahkan rekor dalam efisiensi keseluruhan. Tantangannya sekarang adalah menemukan semimetal Weyl yang dapat menyadari faktor daya puncaknya, dan efisiensi puncaknya, mendekati suhu kamar, kata Li. “Meskipun belum ada bahan seperti itu yang ditemukan, pekerjaan terbaru kami mengidentifikasi beberapa properti utama yang harus kami cari.” Tujuan lainnya adalah untuk mengembangkan semimetal yang dapat menghasilkan medan magnetnya sendiri, berkat pengenalan unsur magnet ke dalam struktur kristalnya, sehingga menghilangkan kebutuhan akan medan eksternal.

Dengan munculnya bahan termoelektrik baru yang dapat beroperasi secara efisien pada atau di bawah suhu kamar, catat Andrejevic, “suatu hari kita mungkin memanfaatkan sumber energi yang belum pernah dipertimbangkan oleh siapa pun sebelumnya.”


Semimetal topologi dapat menghasilkan bentuk jasa termoelektrik melintang yang cukup besar


Informasi lebih lanjut:
Fei Han dkk. Efek Hall termoelektrik terkuantisasi menginduksi faktor daya raksasa dalam semimetal topologi, Komunikasi Alam (2020). DOI: 10.1038 / s41467-020-19850-2

Disediakan oleh Massachusetts Institute of Technology

Kisah ini diterbitkan ulang atas izin MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), situs populer yang meliput berita tentang penelitian, inovasi, dan pengajaran MIT.

Kutipan: Kemajuan keren dalam konversi termoelektrik (2020, 14 Desember) diambil pada 14 Desember 2020 dari https://techxplore.com/news/2020-12-cool-advance-thermoelectric-conversion.html

Dokumen ini memiliki hak cipta. Selain dari transaksi yang adil untuk tujuan studi atau penelitian pribadi, tidak ada bagian yang boleh direproduksi tanpa izin tertulis. Konten disediakan untuk tujuan informasi saja.


Halaman Ini Di Persembahkan Oleh : Togel Hongkong