Studenti

Článků v rubrice: 242

Elektřina přímo z tepla

Příprava a vlastnosti materiálů na bázi sloučenin A2VB3VI pro termoelektrické aplikace

Dalším ze studentů, kteří uspěli v soutěži Expo Science AMAVET 2009, je Patrik Čermák z východočeské Třemošnice. Ústředním tématem jeho projektu jsou termoelektrické materiály. Patrik v soutěži obsadil v celkovém hodnocení krásné druhé místo s právem účasti na INTEL ISEF 2010 v USA. O své práci, kterou připravil ve spolupráci s Ústavem aplikované fyziky a matematiky Univerzity Pardubice, nám ochotně napsal stručný článek.

Fotogalerie (15)
Autor článku i projektu přebírá druhou cenu

Elektřina a teplo

Je známo, že elektrický proud I procházející vodičem o odporu R v něm vytváří teplo s výkonem W = RI2, tzv. Joulovo teplo. To nás však dále zajímat nebude. Zde si všimneme dalších, tzv. termoelektrických (TE) jevů. Jsou známé tři: Thomsonův, Seebeckův a Peltierův. Poslední dva nacházejí svá uplatnění v praxi.

Jestliže prochází proud I homogenním vodivým vodičem, který je uprostřed zahříván, pak – podle orientace proudu – se na jeho koncích uvolňuje nebo pohlcuje Thomsonovo teplo. Seebeckův jev spočívá ve vzniku napětí v obvodě dle obr. 1, sestávajícího ze dvou různých vodivých materiálů, mají-li místa styku těchto vodičů různé teploty (T1T2). Seebeckův jev samotný však vzniká v každém druhu vodivého materiálu díky driftu nosičů náboje v teplotním gradientu (obr. 2). Peltierův jev spočívá v teplotních a teplených změnách na spojích dvou různých vodivých materiálů. Pokud smyčkou zobrazenou na obr. 3 teče proud (např. když ji připojíme k baterii), na jednom spoji se vyvíjí teplo, zatímco na druhém se pohlcuje. Chlazení jednoho spoje a zahřívání druhého je způsobeno rozdílem středních energií volných nositelů proudu v materiálech tvořících spoj (viz Peltierův jev v boxu). Peltierův jev může tedy vznikat pouze na spoji (kontaktu) těchto druhů materiálů.


Peltierův jev

Uvažujme např. elektron jako volný nositel proudu. Pokud cestuje z prostření s nižší střední energií (v našem případě polovodič typu p) do prostředí s vyšší střední energií (v našem případě polovodič typu n) je nucen doplnit si chybějící energii ve formě tepla – oblast kontaktu se ochlazuje. V opačné případě (z n- do p-) odevzdat nepotřebnou energii ve formě tepla (oblast kontaktu se zahřívá).


Historie

TE jevy jsou známy již od 19. století, kdy v roce 1821 Thomas Johann Seebeck umístil kompas mezi spoje mědi a bismutu a jeden spoj zahříval. Proud, který začal protékat mezi těmito spoji, vytvořil magnetické pole, které vychýlilo střelku kompasu [1]. Materiály s výraznými TE vlastnostmi jsou bezmála 50 let předmětem soustředěného výzkumu s cílem zvýšit účinnost tepelných strojů využívajících těchto jevů.



Seebeckovo napětí (obr. 1, kde tedy T1 < T2) je úměrné rozdílu teplot dle rovnice 1:

U = aAB.(T2 – T1)

kde U je vzniklé napětí (V), a je tzv. relativní Seebeckův koeficient závislý na teplotě (V.K-1), a T2-T1 je rozdíl teplot spojů (K).

Aplikace

TE jevy, resp. TE materiály mají širokou možnost uplatnění a nespočet výhledů do budoucna. Mezi hlavní současná využití patří:

Peltierův jev se užívá ke chlazení, např.:

· v elektronice pro součástky citlivé na teplo (procesory, laserové diody, …);

· v lékařské technice pro nádoby na přenos krevní plasmy a sér;

· v běžném životě – přenosné chladničky pro autocamping.

Seebeckův jev:

a) měření teploty (termočlánky)

b) generace elektrické energie – tzv. TE generátor, což je zařízení schopné generovat elektrickou energii „z tepla“ (fyzikálně i fakticky správněji – z tepelného toku).

TE generátory se již hojně využívají např. ve vesmírných sondách, které by ve vzdálenějších koutech vesmíru nemohly fungovat kvůli malé intenzitě slunečního záření využívaného ke konverzi solárními články. V budoucnu, až budou nalezeny lepší materiály, se plánuje použití i např. v rodinných domcích pro úsporu energie [3]. V současnosti se zkouší použití v automobilech, kde by nahradil (úplně či částečně) alternátor.

Peltierův článek

Na obr. 4 můžeme vidět schéma Peltierova článku. Skládá se z TE materiálů elektrické vodivosti n-typu a p-typu, přičemž na jedné straně článku je vždy rozhraní n-p a na druhé rozhraní p-n. Je zřejmé, že může mít dvě funkce:

1. Průchodem proudu se jedna strana chladí, druhá ohřívá (Peltierův jev)

2. Vyvoláním teplotního spádu na stranách článku vzniká na jeho svorkách napětí (Seebeckův jev)

Schématické vysvětlení realizace Peltierova a Seebeckova jevu v Peltierově článku je možné vidět na obr. 5 a na obr. 6.

Termoelektrické materiály

Prvořadým cílem v tomto výzkumu je nalézt materiály s co nejvyšší účinností z hlediska TE aplikací. Každý TE materiál dosahuje maximální účinnosti v určitém rozsahu teplot. Je tedy třeba tyto materiály najít a pak optimalizovat, aby v požadované oblasti teplot dosahovaly co nejvyšší účinnosti.

Kritériem pro výběr těchto materiálů je parametr TE účinnosti, tzv. ZT-parametr (rovnice 2):

ZT = δα2T/k 

kde s je elektrická vodivost (Ω-1.m-1), a je Seebeckův koeficient (V.K-1), T je termodynamická teplota (K) a k je tepelná vodivost (W.m-1.K-1).

Přehled teplotní závislosti Z- a ZT-parametru některých perspektivních materiálů je na obr. 7

Cílem výzkumu je tedy u daného materiálu nalézt vhodné příměsi pro zabudování do krystalu, určit jejich koncentraci a vyvinout technologický postup pro jejich zabudování. Výzkum je proto orientován na hlubší poznání vztahů mezi povahou a koncentrací bodových poruch a tomu odpovídajících fyzikálních vlastností.

Krystaly A2VB3VI
Krystaly A2VB3VI, kde A=Bi, Sb a B=Se, Te (mimo Sb2Se3), patří do skupiny úzkopásových polovodičů, tj. s malou šířkou zakázaného pásu (Eg ~ 0,20 eV), dosahujících maxima TE účinnosti v oblasti pokojových teplot (300 K). Jejich romboedrickou mřížku typu tetradymitu (odvozeno od minerálu tetradymitu Bi2Te2S) lze popsat také jako hexagonální strukturu, jejíž vrstvy jsou orientovány kolmo ke krystalografické ose (c). Prvky A, B obsazují pět atomových rovin střídavě dle schématu:

…B1AB2AB1… B1AB2AB1… B1AB2AB1…, kde tečky nahrazují slabou Van der Waalsovu vazbu.

Elementární buňka krystalu Bi2Te3 je na obr. 8.

Moje práce

Mým cílem bylo připravit monokrystalické (obr. 9) a polykrystalické (obr. 10) vzorky p-typu BixSb2-xTe3-ySey, kde x=0,5 a y=0,1 a n-typu Bi2+xTe3-x-y-zSeyIz, kde x=0,002, y=0,091 a z=0,007, a dále změřit některé jejich transportní vlastnosti a ověřit jejich použitelnost. Sledovány byly Seebeckův koeficient a, měrná elektrické vodivost s, tepelná vodivost k a Hallova konstanta RH.

Z fitovaných experimentálních dat jsem vypočetl výše zmíněný ZT-parametr a ze všech těchto dat jsem u Bi2,002Te2,9Se0,091I0,007 n-typu navrhl další postup, tj. optimalizaci koncentrace volných nositelů proudu (VNP), jež vede k posunutí maxima TE účinnosti těchto materiálů, do oblasti pokojových teplot. Na této optimalizaci v současné době pracuji.

Dále jsem pak z těchto (polykrystalických) materiálů sestavil vlastní, funkční Peltierův článek a využil jsem ho demonstračně jako chladič i jako TE generátor (monokrystalické materiály nelze pro tento záměr úspěšně použít, protože jsou příliš snadno štěpitelné a málo pevné, takže se snadno změní na mikroskopické úrovni).

Výsledky

Při výzkumu těchto materiálů je nutno sledovat řadu parametrů, které ovlivňuje např. koncentrace VNP – Fermiho mez, jejich relaxační čas a typ rozptylu apod. Zde uvádím pouze některé důležité, sumarizované výsledky, kterých jsem během své soutěžní práce na Univerzitě Pardubice dosáhl (ZT-parametr obr. 11).

Podle výsledků měření Bi2,002Te2,9Se0,091I0,007 (n-typ) jsem za účelem optimalizace (posunutí) maxima ZT-parametru do oblasti pokojových teplot, připravil další polykrystalické vzorky. A to zejména se sníženou dotací jodu, který do hostitelské struktury Bi2Te3 přináší další volné elektrony.

Zde uvádím speciálně výsledky měření Seebeckova koeficientu a (obr. 12) a měrné elektrické vodivosti s (obr. 13) systému Bi2+xTe3-x-y-zSeyIz, kde x=0,002, y=0,093 a z=0,005.

Diskuze

Byly připraveny vzorky TE materiálů typu p a n elektrické vodivosti s tetradymitovou strukturou. Za účelem zvýšení účinnosti těchto materiálů byl speciálně u materiálu typu n zkoumán vliv dotace jodu (vstup jodu do hostitelské struktury Bi2Te3) na jeho fyzikální vlastnosti.

Jelikož jod má ve valenční sféře o jeden elektron navíc, můžeme při zvýšení jeho koncentrace očekávat též zvýšení koncentrace VNP, čímž se mj. posune Fermiho hladina k vyšším hodnotám. Tím se sníží velikost a posune maximum Seebeckova koeficientu a do oblasti vyšších teplot, což dále znamená posun maxima ZT-parametru též do oblasti vyšších teplot. To je patrné z publikovaných experimentálních dat, kde tedy substitucí atomů teluru atomy jodu posuneme při vyšších koncentracích jodu maximum ZT-parametru do oblasti vyšších teplot (u Bi2,002Te2,9Se0,091I0,007 do 430 K).

V uváděném Bi2,002Te2,9Se0,093I0,005 (se sníženou dotací jodu) již však příliš poklesne měrná elektrická vodivost s. Tento materiál proto není vhodný pro zvýšení účinnosti stávajících tepelných strojů (jako jsou např. Peltierovy články) pracujících v oblasti pokojových teplot.

V současné době se proto v tomto záměru soustředím na optimalizaci, a to zaváděním dalších příměsí.

Vyhlídky do budoucna

Tato práce mi poskytla odrazový můstek pro výzkum nových materiálů, o kterých nebylo ještě mnoho publikováno, a na které v současné době v rámci přípravy na mezinárodní soutěž Intel ISEF 2010 v USA orientuji svůj zájem. Z těchto nových materiálů se pak pokusím sestavit Peltierův článek, který by mohl být první svého druhu na světě. Na tomto článku poté plánuji změřit konverzní účinnost pro porovnání s články komerčně vyráběnými, jež jsou právě na bázi sloučenin tetradymitového typu.

A jak jsem se k výzkumu vlastně dostal?

První impuls k vědecké práci přišel od Mgr. ing. Jaroslava Švadlenky, mého vyučujícího fyziky na střední škole. Ten mi domluvil prvotní spolupráci s Univerzitou Pardubice v oblasti měření některých transportních vlastností termoelektrických materiálů. Téměř půl roku jsem pravidelně jeden den v týdnu po škole navštěvoval Společnou laboratoř chemie pevných látek ÚMCh AV ČR, v. v. i. a UPa pod vedením ing. Tomáše Plecháčka, PhD. Prošel jsem zde i čtrnáctidenní praktickou výuku, která je součástí školní výuky.

O prázdninách jsem se rozhodl, že nechci tyto materiály pouze měřit, ale chci se podílet i na jejich výzkumu, a tím samozřejmě nejen uspokojit svůj zájem, ale pomoci tak třeba i ostatním lidem. Proto jsem kontaktoval doc. ing. Čestmíra Drašara, Dr. z Ústavu aplikované fyziky a matematiky Univerzity Pardubice, který se již řadu let zabývá výzkumem tohoto i jiných typů materiálů. Ten mě ochotně přijal a umožňuje mi asi vše, co si vymyslím a o čem by se studentovi na střední škole mohlo jinak pouze zdát…

Všem tedy patří velké díky.

Odkazy

[1] Thomas Johann Seebeck. Institute of Chemistry, The Hebrew University of Jerusalem: Famous Scientists of the „electro“ science [online]. 2003 [cit. 2009-04-20]. Dostupný z WWW: http://chem.ch.huji.ac.il/history/seebeck.html

[2] Termoelektrické materiály. SLChPL ÚMCh AV ČR, v. v. i. a UPa : Výzkumné skupiny [online]. Dostupný z WWW: http://www.upce.cz/fcht/slchpl/vyzkum/termo-materialy.html

[3] Thermoelectrics for Energy. Thermoelectrics : California Institute of Technology [online]. 2009 [cit. 2009-11-21]. Dostupný z WWW: http://www.thermoelectrics.caltech.edu/sustainability_page.htm

[4] DRAŠAR, Čestmír. Fyzikální vlastnosti monokrystalů (Bi1-xSbx)2Se3. ČVUT, 2007. Habilitační práce. Dostupný z WWW: http://www.cvut.cz/informace-pro-zamestnance/habilitace/hp/hp2007

[5] HALOUSEK, Milan. Pardubická maturantka pojede na vědecký festival do Tunisu, další student do USA. Kosmický kurýr : Czech Space Office [online]. 2009, duben [cit. 2009-11-21], s. 7. Dostupný z WWW: http://www.czechspace.cz/cs/system/files/Kuryr_CSO_2009_04.pdf

Patrik Čermák, SPŠE a VOŠ Pardubice
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Centrum studentských aktivit České kosmické kanceláře zve

Pro studenty, mladé vědce a ostatní zájemce o kosmonautiku zde máme aktuální přednášky a programy pořádané Českou kosmickou kanceláří a vzdělávacím spolkem Kosmos-News. Nabízejí mateřským, základním i středním školám, ale i organizátorům dalších vzdělávacích ...

Úloha jaderné energie při obnově ekonomiky po pandemii

Agentura pro jadernou energii při OECD (OECD-NEA) vypracovala zprávu, která zkoumá úlohu jaderné energie v souvislosti s obnovou ekonomiky po COVID-19. Obsahuje čtyři hlavní témata: budování odolnosti elektrických sítí, tvorba pracovních příležitostí, ...

Solární nabíječky pro elektromobily

Nabíjení elektromobilů přinese v budoucnosti zvýšené nároky na kapacitu energetických sítí. K řešení problémů s tím spojených by mohly přispět solární nabíječky. Jejich rozvoj zatím táhnou především technologické firmy v USA.

Větrné turbíny vyplouvají na moře

Výkon větrných elektráren umístěných v mořích celého světa přesáhl ke konci loňského roku 650 GW, což odpovídá přibližně dvěma třetinám instalovaného elektrárenského výkonu Evropské unie. Naprostá většina elektřiny z větru pochází z turbín ukotvených ve dně mělkých pobřežních vod.

Jiný plyn, jiné plazma

Čínská domácí agentura dodala první část systému vstřikování plynů do vakuové komory tokamaku ITER. Jedná se o spoustu trubek a trubiček, které dopravují z Budovy tritiového hospodářství do Budovy tokamaku všechny potřebné plyny.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail