Телефоны, бытовая техника и люди выделяют тепло, которое обычно уходит в окружающую среду. Термоэлектрические генераторы, которые преобразовывают разницу температур в электричество, — это способ улавливания ненужного тепла для производства энергии.
Исследователи создали термоэлектрический генератор (ТЭГ), который является мягким и эластичным и полностью разлагается под воздействием окружающей среды. В отличие от обычных жестких термоэлектрических устройств, об этом сообщается в журнале Science Advances можно легко интегрировать в ткани, что позволит использовать носимые датчики, работающие от тепла тела, или одноразовые маски для лица, определяющие температуру.
В ТЭГ поток заряда между горячими и холодными областями создает разницу напряжений, что приводит к электричеству. Их изготавливают разными способами из разных материалов. Но обычно они состоят из одной стороны, которая остается холодной, а другая сторона соприкасается с тепловыделяющим компонентом, будь то электродвигатель или кузов.
Поскольку они представляют собой полупроводниковые устройства без движущихся частей, ТЭГ требуют минимального обслуживания и долговечны. До сих пор они полагались на дорогие или токсичные полупроводниковые материалы, такие как теллурид висмута и теллурид свинца , и в основном находили применение в нишевых приложениях, таких как космические корабли и спутники.
Исследователи стремились снизить стоимость и повысить эффективность ТЭГ. Недавно команда ученых разработала способ создания термоэлектричества, сочетая солнечное тепло с космическим холодом, помещая материал, излучающий тепло в космическое пространство, поверх материала, поглощающего тепло из окружающего воздуха.
Однако материалы и конструкции, используемые до сих пор для изготовления ТЭГ, «могут привести к созданию сложного и неэффективного ТЭГ, который будет громоздким и трудным для установки с другими компонентами», — говорит Янг Мин Сонг, профессор электротехники и информатики в Институте Кванджу. науки и техники в Корее.
Сонг и его коллеги решили отказаться от традиционного подхода с накоплением сверху вниз. Вместо этого они используют узор, вдохновленный полосами зебры, чтобы создать горячие и холодные области рядом друг с другом на поверхности, чтобы создать разницу температур в плоскости, которая достаточно велика для производства электроэнергии.
Они начинают с белого листа, сделанного из растяжимого и биоразлагаемого полимера, называемого капролактоном, который обычно используется для хирургических имплантатов и устройств для доставки лекарств. Материал отражает солнечный свет и является сильным излучателем инфракрасного тепла. Исследователи покрывают лист равномерно расположенными полосами черного полимера, который поглощает солнечный свет и отражает инфракрасное излучение. Чередующиеся черные и белые полосы создают горячие и холодные области на растягиваемом материале.
Исследователи поместили полосатый лист поверх того, что они называют кремниевой наномембраной . Эта наноразмерная мембрана представляет собой массив из нескольких n- и p-легированных кремниевых проволок, которые они выращивают в виде змеевика на кремниевой пластине, а затем переносят на лист из сложного эфира капролактона . Волнистая структура проводов помогает им растягиваться, не ломаясь.
Когда исследователи разместили это устройство на открытом воздухе для тестирования, белые части стали на 8°C холоднее, чем температура окружающей среды, а температура черных частей поднялась на 14°C выше температуры окружающего воздуха, создавая максимальную разницу температур в 22°C. С. Кремниевые провода преобразовывали эту разницу температур в электрическую энергию, генерируя максимальную мощность около 6 микроватт на квадратный метр (мкВт/м²).
По словам Сонга, этого достаточно для работы датчиков с низким энергопотреблением, но, по общему признанию, ниже идеала для коммерческих приложений. Использование более термоэлектрически эффективных материалов, таких как теллурид висмута, увеличило бы выходную мощность, но преимущество здесь в том, что устройство является дешевым, эластичным и полностью биоразлагаемым. «Даже когда образец был растянут примерно в 1,3 раза, производительность генерации сохранилась», — говорит Сонг.
В лаборатории устройство полностью растворилось в безвредные побочные продукты за 35 дней при помещении в солевой раствор. По словам Сонга, такая деградация в естественной среде займет больше времени.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com