EO

Efficiënt thermo-elektrisch materiaal zet warmte om in stroom

17 november 2020 om 09:16 uur

Illustratie van een buckybal met zijketen en het geleidende materiaal (links) en de geordende pakking van de moleculen. Beeld:J.A. Koster, RUG

Thermo-elektrisch materiaal kan een temperatuurverschil omzetten in stroom. Organische thermo-elektrische materialen lijken bruikbaar als krachtbron voor draagbare elektronica of sensoren, maar ze hebben nog te weinig vermogen. Nu heeft een team onder leiding van RUG-hoogleraar Fysica van Halfgeleiders Jan Anton Koster een organische halfgeleider gemaakt met verbeterde eigenschappen die dit soort toepassingen dichterbij brengt.


De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Communications.

 

De enige door mensen gemaakte krachtbron die zich buiten het zonnestelsel bevindt is een thermo-elektrische generator: zo'n generator voorziet de twee Voyager ruimtesondes van stroom uit warmte, in dit geval geproduceerd door radioactiviteit. Koster: "Het mooie van dit type generator is dat er geen bewegende delen in zitten die kapot kunnen gaan."

 

Geleiding

Maar het anorganische thermo-elektrische materiaal in de generatoren van de Voyagers is niet geschikt voor meer aardse toepassingen. Ze bevatten namelijk giftige of zeer zeldzame elementen. Bovendien is het materiaal doorgaans stijf en bros. "Daarom is er belangstelling voor organische thermo-elektrische materialen." Alleen, die hebben ook zo hun problemen. Een optimaal thermo-elektrisch materiaal moet een zogeheten fonon-glas zijn, materiaal met een zeer lage warmtegeleiding zodat het temperatuurverschil in de generator in stand blijft, maar ook een elektron-kristal, materiaal met een zeer hoge elektrische geleiding. Die is nodig om de geproduceerde stroom te transporteren. Koster: "Het probleem met organische halfgeleiders is dat ze doorgaans een slechte elektrische geleiding hebben."

 

RUG-onderzoekers hebben tien jaar ervaring in de ontwikkeling in goed geleidende organische fotovoltaïsche materialen, wat hen ook ideeën opleverde voor het verbeteren van organische thermo-elektronica. Ze richtten hun aandacht daarbij op de zogeheten n-type halfgeleider, die een negatieve lading heeft. Voor een werkende thermo-elektrische generator zijn zowel halfgeleiders van het n-type als het p-type (met een positieve lading) nodig. En de organische p-type halfgeleiders werken al behoorlijk goed.

 

Buckyballen

Het team gebruikte zogeheten fullerenen (bolvormige moleculen die bestaan uit zestig koolstofatomen, ook wel buckyballen genoemd) met daaraan verbonden een dubbele zijketen, van triethyleen-glycol. Voor de elektrische geleiding is er een n-type geleidend materiaal toegevoegd. "De fullerenen hebben van zichzelf al een zeer lage warmtegeleiding, maar de zijketens maakten die nog lager zodat het materiaal een goed fonon-glas is", legt Koster uit. "Bovendien helpen de zijketens om de geleidende stof vast te houden tijdens het uitharden, zodat er een geordende structuur ontstaat." Die structuur maakt van het materiaal een elektron-kristal met een hoge elektrische geleiding, gelijk aan die van zuivere fullerenen.

 

"Op deze manier hebben wij het eerst organische fonon-glas elektron-kristal gemaakt. Maar het belangrijkste vindt ik de thermo-elektrische eigenschappen." Die worden uitgedrukt in de zogeheten ZT waarde. De T staat voor de temperatuur waarbij het materiaal werkt, de Z bevat de overige eigenschappen. Het nieuwe materiaal heeft de hoogste ZT waarde in zijn klasse van 0,2 naar 0,3 gebracht, een significante verbetering.

 

Sensoren

"Een ZT waarde van 1 wordt gezien als grens voor commerciële toepassing, maar wij denken dat ons materiaal al bruikbaar is voor systemen die een lage stroomsterkte nodig hebben', zegt Koster. Om bepaalde sensoren van stroom te voorzien is niet meer dan een paar microwatt nodig. Enkele vierkante centimeter van het nieuwe materiaal is daarvoor al genoeg. ‘De groep uit Milaan waarmee we samenwerken heeft al thermo-elektrische generatoren gemaakt op basis van fullerenen met een enkele zijketen, die een lagere ZT waarde hebben dan het nieuwe materiaal."

 

Alle componenten van dit materiaal zijn commercieel verkrijgbaar en het opschalen van de productie lijkt ook goed mogelijk, denkt Koster. Hij is daarom heel blij met het resultaat van het onderzoek. ‘Het artikel is door twintig auteurs van negen verschillende onderzoeksgroepen geschreven. We hebben onze kennis gecombineerd over synthetische organische chemie, organische halfgeleiders, moleculaire dynamica, thermische geleiding en röntgen-structuurmetingen om tot dit resultaat te komen. En we hebben al ideeën over hoe we de efficiëntie verder kunnen verhogen.'

 

Reacties (1)

Heel interessant voor het vergroenen van het energiesysteem. Dit hebben we nodig.
erik van Vliet, 18 november 2020 13:47
 

Gerelateerd nieuws

Nieuwe techniek bouwt superharde metalen uit nanodeeltjes

Metaal kan vier keer harder

Metallurgen hebben allerlei manieren om een ​​stuk metaal harder te maken. Ze kunnen het buigen, verdraaien, tussen twee rollen laten lopen of erop slaan met een hamer. Deze methoden werken door de korrelstructuur…

Hoe drones blijven vliegen als een motor uitvalt

Hoe drones blijven vliegen als een motor uitvalt (video)

Zoals angstige passagiers vaak worden gerustgesteld, kunnen commerciële vliegtuigen gemakkelijk blijven vliegen, zelfs als een van de motoren stopt met werken. Maar voor quadcopters is het uitvallen van een motor een…

95 procent minder stikstofoxide met hybride-elektrisch vliegtuig

MIT bedenkt emissiecontrolesysteem voor vliegtuigen

MIT-ingenieurs hebben een concept bedacht voor de voortstuwing van vliegtuigen waarvan ze schatten dat het 95 procent van de stikstofoxide-uitstoot in de luchtvaart kan elimineren en daarmee het aantal bijbehorende…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

25 januari 2021, online

The Things Conference

LoRaWan conferentie

26 januari 2021, online

Productie Proces Automatisering (PPA) online kennisdagen

Er is een transitie naar nieuwe technologie maar wat is de roadmap?

2 februari 2021, online

Productie Proces Automatisering (PPA) online kennisdagen

Er is een transitie naar nieuwe technologie maar wat is de roadmap?

Meer agendapunten »