Capturando eletricidade por um novo e eficaz

Science China Press

imagem: (a) Diagrama esquemático mostrando a montagem de um módulo baseado em Mg3Sb2 por sinterização de alta temperatura assistida por pressão. As cargas de brasagem Al-Si-Cu são usadas. (b) Montagem de um módulo à base de Mg3Sb2 por união de baixa temperatura e baixa pressão com o auxílio de pasta composta de Ag. (c) Mudança de massa e fluxo de calor para pasta composta de Ag durante 10 ciclos térmicos de 523 K a 773 K. (d) Comparação da mudança na resistência antes e depois da soldagem com pasta composta de Ag.Veja mais

Crédito: ©Science China Press

Como uma das soluções mais promissoras para melhorar a eficiência de utilização de combustíveis fósseis e aliviar a poluição ambiental, a tecnologia de geração de energia termoelétrica (TE) tem as vantagens de operação em estado sólido, trabalhando sem peças móveis, manutenção gratuita e serviço estendido. Nas últimas décadas, esforços consideráveis ​​foram feitos para melhorar o desempenho dos materiais TE. E aparecem algumas ligas excelentes, como compostos IV-VI (por exemplo, SnSe, GeTe e PbSe), skutterudites e Cu2Se. Esses avanços sem precedentes na melhoria do desempenho dos materiais TE são um passo importante que possibilita aplicações generalizadas de dispositivos TE. No entanto, os avanços na tecnologia de dispositivos TE progrediram menos rapidamente. Os esforços atuais concentram-se principalmente em questões de perna única ou unipar, como o projeto de eletrodos, triagem de camadas de barreira e otimização de interface. Uma única perna é muito útil para avaliar o potencial de um determinado material TE, mas ainda está longe de aplicações práticas. Para aplicações industriais, módulos que consistem em materiais TE tipo n e tipo p precisam ser desenvolvidos. No entanto, o desenvolvimento de módulos é mais desafiador do que a fabricação de uma única perna. Mais questões devem ser abordadas de forma mais elaborada, como o desenvolvimento de materiais TE correspondentes tipo n e tipo p, otimização da geometria das pernas TE, soldagem e montagem de várias pernas e avaliação da eficiência e confiabilidade dos módulos. Além disso, a maioria dos componentes de TE atualmente usados ​​ou estudados contém elementos raros (por exemplo, Te) ou elementos tóxicos (por exemplo, Pb), apresentando um impedimento potencial para aplicações em larga escala.

Nos últimos anos, os compostos à base de Mg3Sb2 atraíram considerável interesse da comunidade TE devido à sua natureza não tóxica, abundância de elementos constituintes e excelente robustez mecânica. Inspirado pela transição do tipo p Mg3Sb2 para o tipo n Mg3Sb2, a pesquisa subsequente sobre esse tipo de composto floresceu. Progressos significativos foram feitos nos últimos cinco anos, alcançando melhorias no desempenho da TE. Este resultado animador torna os compostos à base de Mg3Sb2 de baixo custo e ecológicos substitutos promissores para as ligas contendo Te ou Pb de última geração para geração de energia TE de média temperatura. E recentemente despertou um intenso interesse de pesquisa no desenvolvimento de dispositivos. Em um nível de perna única, foram feitos esforços em termos de síntese escalável de Mg3Sb2 tipo n, design de interfaces de junção confiáveis ​​e triagem de camadas de barreira. Um resultado digno de nota é que uma eficiência de perna única de aproximadamente 10% pode ser alcançada em uma diferença de temperatura de 400 K com uma temperatura da fonte de calor de 700 K, indicando um bom potencial para aplicações de geração de energia em temperatura média. Em nível de unipar ou módulo, diferentes compostos TE do tipo p, como Bi2Te3, MgAgSb, GeTe, CdSb e CoSb3, foram usados ​​para parear com n-Mg3Sb2. Os módulos feitos de diferentes combinações de materiais ofereceram excelente desempenho de geração de energia na faixa de baixa e média temperatura.

No entanto, é perceptível que esses módulos são todos fabricados usando compostos TE de tipo n e p de pais diferentes. Devido às diferentes propriedades químicas e de TE dessas ligas dos tipos n e p, é necessário um projeto complicado de geometria do dispositivo e a seleção individual de camadas de barreira adequadas. Mais criticamente, os módulos TE para geração de energia geralmente operam em grandes gradientes de temperatura (por exemplo, 300 ~ 500 K para aplicações de geração de energia de temperatura média) e temperaturas flutuantes, de modo que as diferenças nos parâmetros físicos dos materiais TE tipo n e p, como o coeficiente de expansão térmica resultará em altas tensões térmicas que podem facilmente levar à falha do dispositivo durante o serviço. Além disso, as diferenças no ponto de fusão e usinabilidade de diferentes materiais TE tipo n e p impõem restrições adicionais no processo de soldagem e montagem. Portanto, há um forte desejo de desenvolver módulos TE eficientes e robustos usando os mesmos compostos TE originais, de modo que uma excelente combinação de propriedades do material facilite a fabricação do módulo e garanta uma operação estável a longo prazo. E foi bem demonstrado em aplicações reais, por exemplo, os módulos Bi2Te3 disponíveis comercialmente, os módulos PbTe e os módulos SiGe usados ​​pela NASA na exploração do espaço profundo, todos feitos dos mesmos materiais TE tipo n e p .