Termoelektrické materiály

 


Perspektivy praktického využití termoelektrických jevů (zejména jevu Seebeckova a Peltierova) nabízejí lidstvu možnosti řešení hned několika současných palčivých problémů. Přímá přeměna tepelné energie na elektrickou (Seebeckův jev) či elektrické energie na tepelnou (Peltierův jev) představují ve své podstatě velmi čisté způsoby druhy konverze. Pro jejich masovější využití je však třeba nalézt a připravit nové typy materiálů mající výrazně lepší termoelektrické vlastnosti než mají ty doposud studované. Pokud by byly nalezeny, bylo by možné např. konstruovat prakticky bezhlučná chladící zařízení (termoelektrické chladiče využívající Peltierova jevu), pracující bez jakýchkoliv chladících médií, s velmi přesnou možností regulace. Účinnější termoelektrické generátory by zase umožnili efektivnější využití obrovského množství dnes produkovaného odpadního tepla a jeho zpětnou konverzi na elektřinu (termoelektrické generátory pracující na principu Seebeckova jevu). Ač jsou tyto technologie prakticky využívány už více než půl století, jejich účinnosti jsou doposud poměrně malé a jsou využívány zejména tam, kde neexistuje jiná alternativa (např. výroba elektrické energie v kosmických sondách pracujících velmi daleko od slunce, či na odlehlých místech zeměkoule) nebo tam kde se klasické technologie stávají ekonomicky nevýhodné oproti těmto technologiím (např. chlazení velmi malých objemů v elektronice).

 

 Kosmická sonda Cassini vyslaná 15.10.1997 ke studiu Saturnových prstenců vyrabí elektrickou energii pomocí termoelektrického generátoru.

 

Peltierova chladící baterie



Nová naděje pro nalezení výrazně účinnějších termoelektrických materiálů byla vzkříšena na počátku 90. let minulého století, kdy se ukázalo, že do té doby teoreticky odhadované limity účinnosti termoelektrických materiálů mohou být výrazně vyšší. Byly také definovány vlastnosti ideálního termoelektrického materiálu a ukázalo se, že nové materiály je třeba hledat u sloučenin s mnohem komplexnější strukturou než mají doposud nejpoužívanější materiály (většinou binární systémy či jejich pevné roztoky).

Naše skupina se zabývá studiem jak tradičních materiálů, doposud používaných ve stávajících technologiích, tak i hledáním nových perspektivních termoelektrických materiálů. Skupina má dlouholeté zkušenosti s přípravou chalkogenidů Bi a Sb (Bi2Te3 resp. Sb2Te3) a jejich pevných roztoků, které jsou základními součástmi tzv. Peltierových chladících článků, dnes čím dál více používaných pro chlazení zejména v mikroelektronice. V této oblasti studujeme základní otázky vlivu dotace těchto materiálů různými dopanty na termoelektrické vlastnosti těchto materiálů. Na základě představ o interakci nativních bodových defektů s bodovými defekty vzniklými takovou dotací se snažíme nalézt vztahy mezi koncentrací bodovým poruch a korespondujícími chemickými a fyzikálními vlastnostmi. Zkoumáme také některé aspekty spojené s technologickým procesem přípravy termoelektrických chladících článků.

V posledních letech se naše skupina zapojila také do hledání nových, perspektivních termoelektrických materiálů. Soustředíme se na materiály se skutteruditovou strukturou a to zejména na tzv. ternární skutterudity. Právě skutterudity patří v současné době do jedné z celosvětově nejstudovanějších tříd nových materiálů. Tyto sloučeniny díky své komplexní struktuře a díky možnosti zabudování i větších a těžších atomů do volných dutin této struktury se staly prototypem moderního termoelektrického materiálu.

 

Struktura tzv. plněného skutteruditu např. YbCo4Sb12.