Materiais termoelétricos podem ser usados ​​para transformar calor residual em eletricidade ou para fornecer refrigeração sem qualquer líquido refrigerante, e uma equipe de pesquisa da Universidade de Michigan descobriu uma maneira de quase dobrar a eficiência de uma classe específica deles feita com semicondutores orgânicos.

Semicondutores orgânicos são compostos ricos em carbono que são relativamente baratos, abundante, leve e resistente. Mas eles não são tradicionalmente considerados materiais termelétricos candidatos porque são ineficientes na execução do processo essencial de conversão de calor em eletricidade.

Os materiais termoelétricos mais eficientes de hoje são feitos de semicondutores inorgânicos relativamente raros, como o bismuto, telúrio e selênio que são caros, frágil e muitas vezes tóxico. Ainda, eles conseguem converter calor em eletricidade com mais de quatro vezes mais eficiência do que os semicondutores orgânicos criados até hoje.

Essa maior eficiência se reflete em uma métrica conhecida pelos pesquisadores como a termoelétrica "figura do mérito". Esta métrica é de aproximadamente 1 próximo à temperatura ambiente para materiais termoelétricos inorgânicos de última geração, mas apenas 0,25 para semicondutores orgânicos.

Os pesquisadores da U-M melhoraram o estado da arte em semicondutores orgânicos em quase 70 por cento, alcançando uma figura de mérito de 0,42 em um composto conhecido como PEDOT:PSS.

"Isso é cerca de metade da eficiência dos semicondutores inorgânicos atuais, "disse o líder do projeto Kevin Pipe, um professor associado de engenharia mecânica, bem como engenharia elétrica e ciência da computação. Pipe é co-autor de um artigo sobre a pesquisa publicado em Materiais da Natureza em 5 de maio, 2013

PEDOT:PSS é uma mistura de dois polímeros:o polímero conjugado PEDOT e o polieletrólito PSS. Ele já foi usado como um eletrodo transparente para dispositivos como LEDs orgânicos e células solares, bem como um agente antiestático para materiais como filmes fotográficos.

Uma das maneiras pelas quais os cientistas e engenheiros aumentam a capacidade de um material para conduzir eletricidade é adicionar impurezas a ele em um processo conhecido como doping. Quando esses ingredientes são adicionados, chamados dopantes, ligação com o material hospedeiro, eles dão a ele um portador elétrico. Cada um desses portadores adicionais aumenta a condutividade elétrica do material.

Em PEDOT dopado por PSS, Contudo, apenas uma pequena fração das moléculas PSS realmente se ligam ao hospedeiro PEDOT; o resto das moléculas de PSS não se tornam ionizadas e são inativas. Os pesquisadores descobriram que essas moléculas de PSS em excesso inibem drasticamente a condutividade elétrica e o desempenho termoelétrico do material.

"O problema é que as moléculas PSS inativas separam ainda mais as moléculas PEDOT, tornando mais difícil para os elétrons saltarem entre as moléculas PEDOT, "Pipe disse." Embora as moléculas de PSS ionizadas melhorem a condutividade elétrica, as moléculas de PSS não ionizadas o reduzem. "

Para melhorar sua eficiência termelétrica, os pesquisadores reestruturaram o material em nanoescala. Pipe e sua equipe descobriram como usar certos solventes para remover algumas dessas moléculas dopantes PSS não ionizadas da mistura, levando a grandes aumentos na condutividade elétrica e na eficiência de conversão de energia termoelétrica.

Este material termoelétrico orgânico específico seria eficaz em temperaturas de até 250 graus Fahrenheit.

"Eventualmente, essa tecnologia poderia nos permitir criar uma folha flexível - pense em filme plástico - que pode ser enrolada ou enrolada em um objeto quente para gerar eletricidade ou fornecer resfriamento, "Pipe disse.