Корейские ученые создали краску, которая способна конвертировать в электроэнергию остаточное тепло с окрашенных поверхностей. Описание новой технологии опубликовано в журнале Nature Communications.

В основе принципа работы термоэлектрогенераторов лежит эффект Зеебека: в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, при разных температурах в местах контактов возникает электродвижущая сила. Если вдоль проводника существует градиент температур, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках в дополнение к этому концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному и на холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается некомпенсированный положительный заряд. В современных термоэлектрогенераторах используются различные полупроводники на основе сплавов теллура, висмута, селена и других элементов. Эффективность термоэлектрических материалов при этом прямо пропорциональна коэффициенту электрической проводимости используемого соединения и обратно пропорциональна его теплопроводимости, поэтому основная задача исследований в области термоэлектрогенерации — поиск оптимального полупроводникового материала.

Нанесение термоэлектрической краски на алюминиевую полусферу. Краска обеспечивает более плотный контакт с нагретыми поверхностями, чем традиционные термоэлектрические устройства. Park et al., Nature Communications, 2016

При попытке применения термоэлектрических генераторов для сбора остаточного тепла возникает еще одна проблема, не менее важная, чем состав базового материала. Традиционные термоэлектрические системы, как правило, сделаны из плоских жестких пластин. При использовании таких систем на неровных поверхностях их эффективность не может быть высокой в силу недостаточного контакта с нагретой поверхностью.

Один из вариантов решения этой проблемы — хорошо отработанная технология печати, которая позволила бы контролировать форму и размеры термоэлектрических элементов на стадии их формирования. Однако, эксперименты в этом направлении, например, опыт с нанесением термоэлементов на стеклоткань, показали невысокую эффективность по сравнению с классическими термоэлектрогенераторами (около 20–40 процентов).

Поэтому корейские ученые решили использовать краску, содержащую полупроводниковые соединения, — ее можно нанести на поверхность любой формы.

(а) Традиционный термоэлектрический элемент. (b) Схема работы традиционного генератора и генератора на основе термокраски. Sung Hoon Park et al. / Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), Republic of Korea

Краска состоит из частиц теллурида висмута (Bi₂Te₃), а также нескольких дополнительных соединений теллуридов сурьмы и селена — такая композиция является наиболее эффективной из известных термоэлектриков, работающих при температуре, близкой к комнатной. Краску наносят на поверхность и нагревают до 450 градусов, при этом краска спекается и образует на поверхности рабочую пленку толщиной 50 мкм. Дополнительные соединения обеспечивают склеивание молекул теллурида висмута при нагревании. Как показали эксперименты, склеивание, с одной стороны, увеличивает плотность действующих частиц, повышая электропроводимость, а с другой — обеспечивает пористость структуры материала, что значительно снижает его теплопроводность. Таким образом, полученный материал отличается высокой электропроводимостью и низкой теплопроводностью — необходимые свойства для эффективной работы термоэлектрического генератора.

Тесты показали высокую эффективность краски — по полученным показателям она составил достойную конкуренцию традиционным термоэлектрическим материалам, и значительно превысил показатели опытов с печатными системами.

Ученые ожидают, что новая разработка получит широкое применение — термоэлектрическую краску можно использовать для переработки остаточного тепла с обширных поверхностей, включая стены зданий, корпусы автомобилей и кораблей. К примеру, крыши и стены домов летом нагреваются до 50 градусов Цельсия — термоэлектрическая краска поможет собрать огромное количество остаточного тепла и перевести его в электричество.

Автор: Надежда Бессонова