Ученые сделали важный шаг к повсеместному применению установок, перерабатывающих в электричество тепловую энергию, которая сейчас теряется впустую.

Эффективные термоэлектрические материалы помогут предотвратить потери тепловой энергии
Монокристалл селенида олова. Образец был разделен вдоль осей a, b и c кристаллической решетки
Структура кристаллической решетки SnSe препятствует распространению фононов и температурных колебаний вдоль оси b, поэтому образец «b» продемонстрировал высокую термоэлектрическую эффективность

Основным источником энергии для современного общества остается ископаемое топливо, но немалая часть тепла, вырабатываемого при его сжигании, рассеивается впустую. Предпринимались попытки уменьшить эти потери за счет использования термоэлектрических материалов, которые преобразуют тепло в электроэнергию. Но они по‑прежнему дороги и неэффективны, и потому использование термоэлектриков ограничено небольшим набором специфических задач.


И вот исследователи из Иллинойса (США) заявляют, что им удалось разработать самый высокоэффективный из известных термоэлектрик на основе дешевого, распространенного материала. Опираясь на полученный опыт, ученые, возможно, смогут довести материал до эффективности, достаточной для широкого практического применения. И тогда термоэлектрики станут источниками энергии для автомобилей и будут собирать «излишки» тепла множества двигателей и электроустановок…


Термоэлектрики — это, как правило, полупроводники, обладающие полезным свойством: нагревая их с одной стороны, мы получаем разность потенциалов, которая может быть использована для генерации электрического тока и питания различных устройств. Эффективный термоэлектрик должен хорошо проводить электричество, но плохо проводить тепло. К сожалению, теплопроводность и электропроводность материалов идут рука об руку, поэтому создать материалы с высокой термоэлектрической эффективностью (ZT) — непростая задача.


В 2012 году группа исследователей под руководством химика Меркури Канатзидиса показала, что ZT теллурида свинца (PbTe) достигает величины 2,2 (предыдущий рекорд составлял 1,8). Значение заманчиво приближалось к 3 — нижнему пределу диапазона, достаточного для широкого применения термоэлектрика. Канатзидис и его коллеги занялись исследованиями химических «собратьев» теллурида свинца, которые могли проявить похожие свойства. В числе таких материалов оказался селенид олова (SnSe), который несколько десятилетий назад был забракован учеными, искавшими перспективные термоэлектрики, поскольку обладает низкой электрической проводимостью. Однако олово и свинец относятся к одной подгруппе химических элементов, также как и теллур с селеном. Это натолкнуло Канатзидиса на мысль повнимательнее присмотреться к селениду олова.


Ученые синтезировали монокристалл SnSe и разделили его на образцы (прямоугольные параллелепипеды), отличавшиеся ориентацией граней относительно осей кристаллической решетки материала (эти оси принято обозначать как a, b и c). Измерив тепло- и электропроводность каждого образца в широком диапазоне температур, ученые увидели, что образец, наиболее длинные ребра которого были параллельны оси b, продемонстрировал неожиданно высокую электропроводность и низкую теплопроводность. Его ZT составила рекордные 2,6 при 923 K. Образец «с» также отличался высокой термоэлектрической эффективностью (ZT = 2,3), а вот ZT образца «а» оказалась значительно ниже обычной для селенида олова — всего 0,8.


Ключом к проявлению сверхнизкой теплопроводности, по мнению Канатзидиса, является взаимное расположение атомов олова и селена в кристаллической решетке — «гармошкой», которая препятствует распространению фононов и тем самым замедляет передачу тепловой энергии внутри материала.


Возможно, введение легирующих добавок с сохранением ключевой структуры кристаллической решетки позволит добиться еще более высокой термоэлектрической эффективности материала, что сделает его пригодным для массового применения.


По сообщению AAAS Science