Kapat

Kalay Tellürür ile Isıdan Elektrik Üretilebilir mi?

Klima cihazınızı konvansiyonel elektriğe değil, sıcak bir yaz gününde güneş ışınlarına götürebilseydiniz ne olurdu? Termoelektrik teknolojideki ilerlemelerle bu sürdürülebilir çözüm bir gün gerçeğe dönüşebilir.

Termoelektrik cihazlar, sıcaklık farkını herhangi bir hareketli parçaya ihtiyaç duymadan elektriğe dönüştürebilen malzemelerden üretilir. Bu durum termoelektrik maddeleri potansiyel olarak çekici bir elektrik kaynağı haline getirir. Bu fenomen tersine çevrilebilir: Bir termoelektrik cihaza elektrik uygulanırsa sıcaklık farkı oluşturabilir. Günümüzde termoelektrik cihazlar, petrol boru hatları boyunca küçük sensörlere güç sağlanması, pillerin alan probları üzerine yedeklenmesi ve minifridyonların soğutulması gibi nispeten düşük güçlü uygulamalar için kullanılmaktadır.

Fakat bilim insanları, endüstriyel proseslerin ve yanmalı motorların bir yan ürünü olarak üretilen ısıyı toplayacak daha güçlü termoelektrik cihazlar tasarlamayı ve ısıyı elektrik haline çevirmeyi hedefliyorlar. Bununla birlikte, termoelektrik cihazların verimliliği veya üretebildikleri enerji miktarı şu anda sınırlıdır.

MIT’deki araştırmacılar, eşsiz elektronik özelliklere sahip “topolojik” materyalleri kullanarak bu verimliliği üç kat artırmanın yolunu keşfettiler. Geçmişteki çalışmalar, topolojik materyallerin verimli termoelektrik sistemler olabileceğini önermekle birlikte, bu topolojik malzemelerdeki elektronların bir termoelektrik etki üretmek için sıcaklık farklılıklarına tepki olarak nasıl hareket edeceği konusunda çok az bilgi içeriyordu.

MIT araştırmacıları, bazı topolojik materyalleri mevcut cihazlarla karşılaştırdıklarında potansiyel olarak daha verimli bir termoelektrik materyal haline getiren temel özelliği belirlediler.

MIT Makina Mühendisliği Bölümü’nden Te-Huan Liu, “Topolojik malzemeleri, silikon gibi geleneksel yarı iletkenlerden daha iyi bir termoelektrik malzeme haline getirecek şekilde nano-yapılı malzemenin sınırlarını zorlayabileceğimizi bulduk” diyor. “Sonuçta, bu, karbondioksit salınımını azaltarak, elektrik üretimi için bir ısı kaynağı kullanmak temiz enerjili bir yol olabilir” diye de ekliyor.

Elektronların Hareket Yolu Karakterize Edildi

Bir termoelektrik malzeme bir sıcaklık gradyanına maruz bırakıldığında (örneğin bir ucu ısıtılır, diğeri soğutulurken) bu materyaldeki elektronlar sıcak uçtan soğuk uca akmaya başlar ve elektrik akımı üretir. Sıcaklık farkı ne kadar büyük olursa o kadar çok elektrik akımı üretilir ve o kadar fazla güç elde edilir. Oluşabilecek enerji miktarı belirli bir malzemedeki elektronların taşıma kapasitelerine bağlıdır.

Bilim insanları, bazı topolojik materyallerin, nanometrik yapı ile etkili termoelektrik cihazlara dönüştürülebileceğini gözlemledi. Bu teknik, malzeme özelliklerini nanometrik ölçekte desenlendirerek bir materyal sentezlemek için kullanılan bir teknik. Bilim adamları, topolojik malzemelerin termoelektrik avantajlarının, nano yapılarındaki düşük termal iletkenlik olduğunu düşünüyorlar. Fakat verimlilikteki bu artışın maddenin kendine özgü, topolojik özellikleriyle nasıl bağlantılı olduğu açık değildir.

Liu ve meslektaşları bu soruyu yanıtlamaya çalışmak için iyi bir termoelektrik malzeme olduğu bilinen kalay tellürür’ün termoelektrik performansını inceledi. Kalay tellüriddeki elektronlar, Dirac malzemeleri olarak bilinen bir topoloji malzemesi sınıfını taklit eden kendine özgü özellikleri de sergiler.

Elektrik Bantlarının İllüstrasyonu
Farklı dağılma ilişkileri olan elektronik bant yapılarının şematik gösterimi. (Sol) Işıktan koyu mavi çizgiler, nonparabolikliğin artması nedeniyle Kane bandının evrimini göstermektedir. (Sağ) Sarı çizgi, Dirac bandının doğrusal dağılımını ve koyu kırmızı çizgi, daha yüksek bir Fermi hızı ile bant şeklini gösterir. Konilerdeki gökkuşağı renkleri düşük enerjiden yüksek enerji seviyesine kadar sabit enerji aralıklarını gösterir.

Ekip, elektronların materyalden geçme şeklini taklit ederek, nanometrik yapının kalay tellürürün termoelektrik performansı üzerindeki etkisini anlamaya çalıştı. Elektron transportunu karakterize etmek için, bilim insanları sık sık “ortalama serbest yol” olarak adlandırılan bir ölçüyü veya belirli bir enerjiyle bir elektronun, o malzemedeki çeşitli nesneler veya kusurlar tarafından dağılmadan önce bir materyal içinde özgürce dolaşacağı ortalama mesafeyi kullanırlar.

Nanoyapılı materyaller, bir kristali başka bir taneden ayıran sınırlara sahip, küçük kristallerden oluşan bir parçaya benzemektedir. Elektronlar bu sınırlarla karşılaştıklarında, çeşitli şekillerde saçılma eğilimindedirler. Uzun serbest yollara sahip elektronlar, merminin duvara çarptığındaki gibi şiddetle dağılırken, daha kısa serbest yolları olan elektronlar daha az etkilenir.

p-tipi SnTe'nin termoelektrik özellikleri
300 K’da farklı taşıyıcı konsantrasyonlarına göre p-tipi Kalay Tellürür (SnTe)’in termoelektrik özellikleri ve MFP spektrumu. A. Sıvı katsayısı (kırmızı renkte) ve elektrik iletkenliği (mavi renkte). B. İki temsilci taşıyıcı konsantrasyonda Seebeck katsayısının ve elektriksel iletkenliğin spektral dağılımı. Güç faktörü için spektrum açık mavi renklidir. C. Örgü termal iletkenliği (yeşil renkli) ve elektronik ısı iletkenliği (turuncu renkte). D. Örgü taşıyıcı konsantrasyonlarında latis ısıl iletkenliği ve elektronik termal iletkenliğin spektral dağılımı.

Araştırmacılar, simülasyonlarında kalay tellürürün elektron özelliklerinin, ortalama serbest yolların üzerinde önemli bir etkisi olduğunu buldu. Kalay tellüridin elektron enerjisi aralığını, ilişkili ortalama serbest yollara karşı çizdiler. Ortaya çıkan grafiğin, çoğu konvansiyonel yarı iletken için olandan çok daha farklı göründüğünü fark ettiler. Özellikle, kalay tellürür ve muhtemelen diğer topolojik malzemeler için sonuçlar; yüksek enerjili elektronların ortalama serbest yolunun daha kısa olduğunu, daha düşük enerjili elektronların genellikle daha uzun bir ortalama serbest yola sahip olduklarını göstermektedir.

Ekip, daha sonra farklı enerjiler ve ortalama serbest yollardaki elektronlardan gelen termoelektrik katkıları özetleyerek bu elektron özelliklerinin kalay tellürür ‘ün termoelektrik performansını nasıl etkilediğine baktı.

Bir maddenin bir sıcaklık gradyanı altında elektron akışı yapma kabiliyeti ya da bir elektron akışını üretme kabiliyeti, büyük ölçüde elektron enerjisine bağlıdır. Özellikle, daha düşük enerjili elektronların gerilim farkı ve dolayısıyla elektrik akımı üretme üzerinde olumsuz bir etkiye sahip olduklarını bulmuşlardır. Bu düşük enerjili elektronların ortalama serbest yolları da daha uzun olur. Bu da gren sınırları tarafından yüksek enerjili elektronlardan daha yoğun şekilde dağılabilir.

Kalay Tellürür’ün Boyut Değişimleri İncelendi

Simülasyonlarında bir adım daha ilerleyen ekip, kalay tellürür yapılarının boyuyla oynayarak bunun bir sıcaklık değişimi altındaki elektron akışına herhangi bir etkisi olup olmadığını kontrol etti. Ortalama bir tane çapını yaklaşık 10 nanometreye düşürdükleri zaman sınırlarını birbirine daha yakın hale getirdiklerinde yüksek enerjili elektronlardan artan bir katkı gördüklerini buldular.

Yani daha küçük tanecik boyutlarıyla, yüksek enerjili elektronlar, daha kısa serbest serbest dolaşım yollarına sahip oldukları ve tane sınırlarına göre dağılma olasılığı daha az olduğu için, malzemenin elektrik iletkenliğine düşük enerjili elektronlara göre daha fazla katkıda bulunurlar. Bu üretilebilen daha büyük bir voltaj farkına neden olur.

Dahası araştırmacılar, kalay tellürürün ortalama tane boyutunun yaklaşık 10 nanometreye düşürülmesinin, malzemenin daha büyük tanelerle ürettiği elektriğin üç katını ürettiğini buldu.

Liu, simülasyonlara dayalı sonuçlar verirken araştırmacılar, kalay tellürür ve diğer topolojik materyalleri sentezleyerek ve nanometrik bir düzenleme tekniği kullanarak tane boyutlarını ayarlayıp benzer performans elde edebiliyorlar. Diğer araştırmacılar, bir maddenin tane boyutunun küçültülmesinin termoelektrik performansını artırabileceğini öne sürdü ancak Liu, çoğunlukla ideal boyutun 10 nanometre’den çok daha büyük olacağını varsaydığını belirtti.

Liu, “Simülasyonlarımızda, bir topolojik malzemenin tane boyutunu önceden düşünülenden çok daha küçültebiliriz ve bu konsepte dayanarak verimliliğini artırabildiğimizi bulduk” diyor.

Kalay tellürit henüz keşfedilmemiş birçok topolojik malzemeye bir örnektir. Araştırmacılar, bu materyallerin her biri için ideal tanecik boyutunu belirleyebilirlerse, Liu topolojik materyallerin yakında temiz enerjiyi üretmek için uygulanabilir, daha verimli bir alternatif olabileceğini söylüyor.

Liu, “Topolojik malzemeler termoelektrik malzemeler için çok iyi ve sonuçlarımız gelecekteki uygulamalar için çok umut verici bir malzeme olduğunu gösteriyor” dedi.

Sizin için önerdiklerimiz:

Tolga Gümüş

Yıldız Teknik Üniversitesi, Metalürji ve Malzeme Mühendisliği bölümünde öğrenim gören, bilimin ve teknolojinin ışığında kendisini geliştirmeye çalışan genç bir mühendis adayıyım. İlgi duyduğum farklı kategorilerdeki haber ve yazılarımı sizlerle paylaşacağım.

“Kalay Tellürür ile Isıdan Elektrik Üretilebilir mi?” üzerine 1 yorum

  1. Papirus dedi ki:

    abi buraya uzun uzun yazmaya gerek yok. HELAL OLSUN. tüm site için. gerçektenden 10 üniversite seviyesinden site

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir