O contínuo esgotamento dos recursos energéticos baseados em combustíveis fósseis está nos levando a uma crescente crise energética. Consequentemente, isso desencadeou uma busca por recursos alternativos sustentáveis. A conversão de energia termoelétrica – um processo de geração de eletricidade a partir do calor residual – ganhou força como a próxima tecnologia potencial de coleta de energia. Geradores feitos de materiais termoelétricos são usados ​​para captar energia térmica através do "efeito Seebeck". A diferença de temperatura no material termoelétrico cria um fluxo de portadores de carga, gerando energia elétrica.
Para uma conversão eficiente, um material termoelétrico deve ter uma alta eficiência de conversão (ZT), que precisa de um alto coeficiente Seebeck (S), alta condutividade eletrônica (σ) e baixa condutividade térmica (κ). O material seleneto de estanho (SnSe) é conhecido por apresentar um ZT recorde em sua forma monocristalina. No entanto, o desempenho se deteriora em policristais práticos devido a um baixo σ e um alto κ.

Em um estudo recente publicado na Advanced Science , uma equipe de pesquisadores do Japão, liderada pelo Professor Associado Takayoshi Katase do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) conseguiu melhorar o ZT do SnSe policristalino, demonstrando um alto σ e um baixo κ simultaneamente. A equipe alcançou esse notável avanço introduzindo o íon telúrio (Te) na estrutura do SnSe.

Houve um problema, no entanto. A solubilidade do Te ^2- íons no Se ^2- O sítio de SnSe é extremamente baixo em equilíbrio térmico devido a uma incompatibilidade de tamanho entre os dois íons, o que limita severamente a substituição de íons. A equipe enfrentou esse desafio adotando um processo de crescimento não equilibrado em duas etapas, o que permitiu aumentar o Te ^2- limite de concentração x até 0,4 em Sn(Se_1-x Te_x ) cristais a granel.

"Adicionar um íon do mesmo estado de valência geralmente não aumenta a concentração de portadores em semicondutores iônicos. No entanto, no nosso caso, substituindo Te ^2- íons no Se ^2- local em SnSe aumentou a concentração de portadores em três ordens de magnitude, levando a um alto σ. Além disso, a substituição do íon Te reduziu drasticamente κ para menos de um terço de seu valor à temperatura ambiente", diz o Dr. Katase.

Existem duas estratégias principais para atingir o alto σ e baixo κ em policristais de SnSe. Uma é adicionar íons com um estado de valência diferente, como íons alcalinos, para aumentar a concentração de transportadores. Outra é controlar a segregação de impurezas para espalhamento de fônons. Assim, muitas complicações estão envolvidas na síntese de SnSe policristalino de alto desempenho.

A equipe, no entanto, mostrou que a substituição do íon Te isovalente aumenta σ e reduz κ, simultaneamente. Como? A equipe realizou cálculos de primeiros princípios para elucidar o mecanismo subjacente à melhoria na ZT. Os cálculos mostraram que o grande íon Te em SnSe formou ligações Sn-Te fracas. Esta ligação Sn-Te é facilmente dissociada e uma alta densidade de vacâncias de Sn é formada na estrutura, levando a uma alta concentração de buracos. Além disso, as ligações Sn-Te fracas reduzem a frequência dos fônons (frequência de vibração da rede) e aumentam o espalhamento dos fônons, resultando no baixo κ.

O estudo, portanto, apresenta um novo método para adição de íons de grande porte além de seus limites de equilíbrio, o que poderá orientar futuros estudos na otimização das propriedades eletrônicas e térmicas de policristais de SnSe termoelétricos. "Acreditamos que nossas descobertas abririam o caminho para materiais termoelétricos práticos e de alto desempenho", diz o Dr. Katase.

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Comutação de vários tipos de semicondutores para aumentar a conversão termoelétrica do calor residual