Os materiais termoelétricos podem transformar a diferença de temperatura em eletricidade. Materiais termoelétricos orgânicos podem ser usados ​​para alimentar dispositivos eletrônicos vestíveis ou sensores; Contudo, a potência de saída ainda é muito baixa. Uma equipe internacional liderada por Jan Anton Koster, Professor de Física de Semicondutores na Universidade de Groningen, agora produziu um semicondutor orgânico tipo n com propriedades superiores que aproxima essas aplicações um grande passo. Seus resultados foram publicados na revista Nature Communications em 10 de novembro.

O gerador termoelétrico é a única fonte de energia feita pelo homem fora de nosso sistema solar:ambas as sondas espaciais Voyager, que foram lançados em 1977 e agora estão no espaço interestelar, são alimentados por geradores que convertem calor (neste caso, fornecida por uma fonte radioativa) em uma corrente elétrica. "A grande coisa sobre esses geradores é que eles são dispositivos de estado sólido, sem nenhuma peça móvel, "explica Koster.

Condutividade

Contudo, o material termoelétrico inorgânico usado nos geradores da Voyager não é adequado para aplicações mais mundanas. Esses materiais inorgânicos contêm elementos tóxicos ou muito raros. Além disso, geralmente são rígidos e quebradiços. “É por isso que o interesse por materiais termelétricos orgânicos está aumentando, "diz Koster. Ainda, esses materiais têm seus próprios problemas. O material termoelétrico ideal é um vidro de fônon, que tem uma condutividade térmica muito baixa (para que possa manter uma diferença de temperatura) e também um cristal de elétron com alta condutividade elétrica (para transportar a corrente gerada). Koster diz, "O problema com os semicondutores orgânicos é que eles geralmente têm uma baixa condutividade elétrica."

No entanto, mais de uma década de experiência no desenvolvimento de materiais fotovoltaicos orgânicos na Universidade de Groningen levou a equipe a um caminho para um material termoelétrico orgânico melhor. Eles focaram sua atenção em um semicondutor do tipo n, que carrega uma carga negativa. Para um gerador termoelétrico, semicondutores do tipo n e do tipo p (com carga positiva) são necessários, embora a eficiência dos semicondutores orgânicos do tipo p já seja bastante boa.

Buckyballs

A equipe usou fulerenos ('buckyballs, 'feito de sessenta átomos de carbono) com uma dupla cadeia lateral do tipo trietilenoglicol adicionada a eles. Para aumentar a condutividade elétrica, um n-dopante foi adicionado. “Os fulerenos já têm baixa condutividade térmica, mas adicionar as cadeias laterais torna ainda mais baixo, então o material é um vidro de fônon muito bom, "diz Koster." Além disso, essas cadeias também incorporam o dopante e criam uma estrutura muito ordenada durante o recozimento. "Este último torna o material um cristal elétrico, com uma condutividade elétrica semelhante à dos fulerenos puros.

"Já fizemos o primeiro cristal elétrico de vidro de fônon orgânico, "Koster diz." Mas a parte mais empolgante para mim são suas propriedades termoelétricas. "Estas são expressas pelo valor ZT. OT se refere à temperatura na qual o material opera, enquanto Z incorpora as outras propriedades do material. O novo material aumenta o valor ZT mais alto em sua classe de 0,2 para mais de 0,3, uma melhoria considerável.

Sensores

"Um valor ZT de 1 é considerado uma eficiência comercialmente viável, mas acreditamos que nosso material já poderia ser usado em aplicações que requerem um baixo rendimento, "diz Koster. Para alimentar sensores, por exemplo, alguns microwatts de potência são necessários e podem ser produzidos por alguns centímetros quadrados do novo material. "Nossos colaboradores em Milão já estão criando geradores termoelétricos usando fulerenos com uma única corrente lateral, que têm um valor ZT inferior ao que temos agora. "

Os fulerenos, cadeia lateral e dopante estão prontamente disponíveis e a produção do novo material pode provavelmente ser aumentada sem muitos problemas, de acordo com Koster. Ele está extremamente feliz com os resultados deste estudo. "O artigo tem vinte autores de nove grupos de pesquisa diferentes. Usamos nosso conhecimento combinado de química orgânica sintética, semicondutores orgânicos, dinâmica molecular, condutividade térmica e estudos estruturais de raios-X para obter este resultado. E já temos algumas ideias sobre como aumentar ainda mais a eficiência. "