Работающий с начала текущего года на Марсе ровер Персеверанс получает электрическую энергию от термоэлектрического генератора. Это довольно надёжное устройство — инженеры полагают, что ресурс его работы — не менее 14 лет. Но за надёжность приходится платить — энергоэффективностью. Только 4—5% тепла (источник которого — распад диоксида плутония) перерабатывается в электричество.
Для Марса, куда нельзя прислать мастера-ремонтника, такой КПД приемлем, на Земле хотелось бы получать больше. Ведь именно термоэлектрический принцип мог бы сократить гигантские энергопотери в глобальном масштабе — около 65% энергии сжигания ископаемого топлива теряется, превращаясь в выбрасываемое в окружающую среду тепло. Совместная работа учёных Северо-Западного университета (Northwestern University, США) и Сеульского национального университета (Sŏul Taehakkyo, Южная Корея) представила материал с рекордно высокими термоэлектрическими свойствами — очищенный селенид олова в поликристаллической форме. Это открывает дорогу к созданию устройств, которые позволят перейти на новый уровень энергоэффективности.
«Термоэлектрические устройства используются, но только в очень специальных условиях, пример — марсоход, — говорит химик Северо-Западного университета Меркури Канацидис, занимающийся созданием новых материалов. — Эти устройства не вошли в обиход, как солнечные батареи, и есть значительные проблемы с их качеством. Мы заняты разработкой материала, который был бы недорогим и высокоэффективным, что способствовало бы расширению применения термоэлектрических устройств».
Подробная информация о термоэлектрическом материале и его рекордно высокой производительности опубликована в журнале Nature Materials.
Мы хорошо умеем делать термоэлектрические устройства, единственная проблема — собственно термоэлектрический материал. Одна сторона устройства горячая, другая холодная. Термоэлектрический материал посередине. Тепло проходит через материал, часть тепла преобразуется в электричество, которое выводится по проводам.
Искомый материал должен иметь чрезвычайно низкую теплопроводность (сохраняя при этом хорошую электропроводность), чтобы быть эффективным при преобразовании отработанного тепла. А поскольку рабочая температура источника может достигать 400—500 градусов Цельсия, материал должен быть стабильным при таких температурах. Эти и другие проблемы делают термоэлектрические устройства в итоге более сложными в производстве, чем солнечные элементы.
Ещё в 2014 году Канацидис и его команда сообщили об открытии материала, который оказался лучшим из известных по возможности преобразования тепла: монокристаллической формы селенида олова. Но открытие не предполагало прорыва в индустрии — монокристаллическая форма непрактична для массового производства в силу хрупкости и склонности к расслаиванию.
Очевидным решением проблемы было бы использование того же вещества в более стойкой форме. Селенид олова в поликристаллической форме приготовил неприятный сюрприз — в отличие от монокристаллической формы, его теплопроводность была неприемлемо высока.
«Происходила какая-то чертовщина, — делится Канацидис. — Предполагалось, что селенид олова в поликристаллической форме не будет обладать высокой теплопроводностью, но он ею обладал. Это было проблемой».
Зловредной силой, как выяснилось при внимательном изучении процесса, выступала плёнка окисла олова на поверхности, именно она была таким хорошим и таким ненужным проводником тепла.
Чтобы не допустить образования окисла, материал был изготовлен в бескислородной среде и из очищенных от кислорода составляющих. Полученные гранулы действительно потеряли теплопроводность.
Эффективность термоэлектрических полупроводников оценивается безразмерной величиной ZT (она пропорциональна проводимости — квадрату коэффициента Зеебека, делённому на теплопроводность). ZT монокристаллического селенида олова составляет примерно 2,2 — 2,6 при 913 Кельвинах. Очищенный селенид олова в поликристаллической форме имеет ZT примерно 3,1 при 783 Кельвинах. Его теплопроводность ниже, чем у монокристаллов.
Разработка, по словам Канацидиса, «открывает двери для создания новых устройств, которые будут построены на базе поликристаллических гранул селенида олова».
