Là một trong những giải pháp hứa hẹn nhất để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, công nghệ phát điện nhiệt điện (TE) có ưu điểm vận hành ở trạng thái rắn, hoạt động mà không cần các bộ phận chuyển động, bảo trì miễn phí và dịch vụ mở rộng. Trong những thập kỷ qua, những nỗ lực đáng kể đã được thực hiện để cải thiện hiệu suất của vật liệu TE. Và một số hợp kim xuất sắc đã xuất hiện, chẳng hạn như các hợp chất IV-VI (ví dụ: SnSe, GeTe và PbSe), skutterudites và Cu 2 Se.
Những tiến bộ chưa từng có này trong việc cải thiện hiệu suất của vật liệu TE là một bước kích hoạt quan trọng báo trước các ứng dụng rộng rãi của thiết bị TE. Tuy nhiên, những tiến bộ trong công nghệ thiết bị TE đã tiến triển chậm hơn. Những nỗ lực hiện tại chủ yếu tập trung vào các vấn đề về một chân hoặc một cặp, chẳng hạn như thiết kế điện cực, sàng lọc các lớp rào cản và tối ưu hóa giao diện. Một chân rất hữu ích để đánh giá tiềm năng của một vật liệu TE cụ thể, nhưng vẫn còn lâu mới có thể ứng dụng vào thực tế.
Đối với các ứng dụng công nghiệp, các mô-đun bao gồm cả vật liệu TE loại n và loại p cần được phát triển. Tuy nhiên, việc phát triển các mô-đun khó khăn hơn so với việc chế tạo một chân.
Nhiều vấn đề cần được giải quyết tỉ mỉ hơn, chẳng hạn như phát triển vật liệu TE loại n và loại p phù hợp, tối ưu hóa hình học của chân TE, hàn và lắp ráp nhiều chân cũng như đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của các mô-đun. Ngoài ra, hầu hết các thành phần TE hiện đang được sử dụng hoặc nghiên cứu đều chứa các nguyên tố hiếm (ví dụ: Te) hoặc các nguyên tố độc hại (ví dụ: Pb), gây trở ngại tiềm ẩn cho các ứng dụng quy mô lớn.
Trong những năm gần đây, các hợp chất dựa trên Mg 3 Sb 2 đã thu hút được sự quan tâm đáng kể từ cộng đồng TE do tính chất không độc hại, sự phong phú của các nguyên tố cấu thành và độ bền cơ học tuyệt vời của chúng. Lấy cảm hứng từ sự chuyển đổi của Mg 3 Sb 2 loại p thành Mg 3 Sb 2 loại n , nghiên cứu tiếp theo về loại hợp chất này đã phát triển mạnh mẽ. Những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện trong năm năm qua, đạt được những cải tiến trong hiệu suất TE.
Kết quả này làm cho các hợp chất dựa trên Mg 3 Sb 2 chi phí thấp và thân thiện với môi trường hứa hẹn sẽ thay thế cho các hợp kim chứa Te hoặc Pb tiên tiến nhất để phát điện TE ở nhiệt độ trung bình. Và nó gần đây đã khơi dậy mối quan tâm nghiên cứu chuyên sâu về phát triển thiết bị của họ.
Ở cấp độ một chân, những nỗ lực đã được thực hiện về mặt tổng hợp có thể mở rộng của loại n Mg 3 Sb 2 , thiết kế các giao diện tiếp giáp đáng tin cậy và sàng lọc các lớp rào cản. Một kết quả đáng chú ý là hiệu suất một chân ~10% có thể đạt được ở chênh lệch nhiệt độ 400 K với nhiệt độ nguồn nhiệt là 700 K, cho thấy tiềm năng tốt cho các ứng dụng phát điện ở nhiệt độ trung bình.
Ở cấp độ đơn cặp hoặc mô đun , các hợp chất TE loại p khác nhau, chẳng hạn như Bi 2 Te 3 , MgAgSb, GeTe, CdSb và CoSb 3 , đã được sử dụng để ghép cặp với n-Mg 3 Sb 2 . Các mô-đun được làm từ các kết hợp vật liệu khác nhau đã mang lại hiệu suất phát điện vượt trội trong phạm vi nhiệt độ thấp và trung bình.
Tuy nhiên, điều đáng chú ý là tất cả các mô-đun này đều được chế tạo bằng cách sử dụng các hợp chất TE loại n và loại p khác nhau. Do các tính chất hóa học và TE khác nhau của các hợp kim loại n và loại p này, cần thiết kế hình học thiết bị cồng kềnh và lựa chọn riêng các lớp rào cản phù hợp.
Quan trọng hơn, các mô-đun TE để phát điện thường hoạt động ở chênh lệch nhiệt độ lớn (ví dụ: 300~500 K đối với các ứng dụng phát điện ở nhiệt độ trung bình) và nhiệt độ dao động, do đó, sự khác biệt về thông số vật lý của vật liệu TE loại n và loại p, chẳng hạn như hệ số giãn nở nhiệt, sẽ dẫn đến ứng suất nhiệt cao dễ dẫn đến hư hỏng thiết bị trong quá trình sử dụng.
Ngoài ra, sự khác biệt về điểm nóng chảy và khả năng gia công của các vật liệu TE loại n và p khác nhau đặt ra các hạn chế bổ sung đối với quá trình hàn và lắp ráp.
Do đó, có một mong muốn mạnh mẽ là phát triển các mô-đun TE mạnh mẽ và hiệu quả bằng cách sử dụng cùng các hợp chất TE gốc, sao cho sự phù hợp tuyệt vời của các đặc tính vật liệu sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo mô-đun và đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài. Và nó đã được chứng minh rõ ràng trong các ứng dụng thực tế, ví dụ, các mô-đun Bi 2 Te 3 có bán trên thị trường , các mô-đun PbTe và các mô-đun SiGe được NASA sử dụng trong thám hiểm không gian sâu, tất cả đều được tạo ra từ cùng một gốc n- và p- loại vật liệu TE.
Để đối phó với thách thức này, gần đây, nhóm nghiên cứu TE do Giáo sư Wan Jiang và Lianjun Wang từ Đại học Donghua (DHU) và Tiến sĩ Qihao Zhang từ Viện Nghiên cứu Vật liệu và Chất rắn Leibniz (IFW Dresden) dẫn đầu đã phát triển các mô-đun TE mới bao gồm của cả hợp kim dựa trên Mg 3 Sb 2 loại n và loại p .
Các viên dựa trên cơ sở Mg 3 Sb 2 loại p và loại n giống nhau được chế tạo bằng cách sử dụng hợp kim cơ học và thiêu kết plasma tia lửa. Hai hợp chất này cho thấy các tính chất cơ học và TE phù hợp tốt do cấu trúc tinh thể tương tự và thành phần hóa học tương tự nhau.
Mô phỏng phần tử hữu hạn xác nhận rằng tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang chân tối ưu để đạt được hiệu suất chuyển đổi tối đa là khoảng 1,0, thuận lợi cho việc lắp ráp các mô-đun. Các tính toán ghép nối cơ nhiệt cho thấy ứng suất nhiệt gây ra bởi sự chênh lệch về độ giãn nở nhiệt giữa các phần tử TE loại p và n được giảm thiểu. Sắt được sử dụng làm lớp rào cản khuếch tán cho cả chân loại n và loại p.
Và quy trình thiêu kết một bước được áp dụng để chế tạo các mối nối TE, cho phép liên kết bền với điện trở tiếp xúc bề mặt thấp. Ngoài ra, các mô-đun TE dựa trên toàn bộ Mg 3 Sb 2 được chế tạo bằng cách phát triển quy trình nối mới sử dụng bột nhão tổng hợp Ag cho phép lắp ráp ở nhiệt độ thấp, có khả năng chịu được nhiệt độ sử dụng cao hơn.
Tất cả những nỗ lực này dẫn đến một mô-đun hoàn toàn dựa trên Mg 3 Sb 2 với hiệu suất cao 7,5% để thu năng lượng điện ở nhiệt độ nguồn nhiệt là 673 K và độ tin cậy đặc biệt của mô-đun đối với các chu kỳ nhiệt. Những kết quả này minh họa thành công tiềm năng to lớn của việc phát triển tất cả các mô-đun dựa trên Mg 3 Sb 2 để phát điện hiệu quả từ nhiệt thải cấp thấp nhưng cực kỳ dồi dào.
Những phát hiện được công bố trên tạp chí National Science Review
