Uređaj koji prikuplja energiju na sobnoj temperaturi

Japanski istraživači sa Sveučilišta Kyushu iz Fukuoke, razvili su novi organski termoelektrični uređaj koji može prikupljati energiju iz temperature okoline. Dok termoelektrični uređaji danas imaju nekoliko namjena, još uvijek postoje prepreke njihovoj potpunoj upotrebi. Kombinirajući jedinstvene sposobnosti organskih materijala, tim je uspio razviti sustav za proizvodnju termoelektrične energije na sobnoj temperaturi bez ikakvog temperaturnog gradijenta.

Termoelektrični uređaji ili termoelektrični generatori su niz materijala koji stvaraju energiju i mogu pretvarati toplinu u električnu energiju sve dok postoji temperaturni gradijent, pri čemu je jedna strana uređaja vruća, a druga hladna. Takvi su uređaji bili značajan fokus istraživanja i razvoja zbog njihove potencijalne koristi u skupljanju otpadne topline iz drugih metoda generiranja energije.

Možda je najpoznatija upotreba termoelektričnih generatora u svemirskim sondama kao što su Mars Curiosity rover ili Voyager sonda. Ove strojeve pokreću radioizotopski termoelektrični generatori, gdje toplina proizvedena iz radioaktivnih izotopa osigurava temperaturni gradijent za termoelektrične uređaje za napajanje svojih instrumenata. Međutim, zbog problema koji uključuju visoke proizvodne troškove, upotrebu opasnih materijala, nisku energetsku učinkovitost i nužnost relativno visokih temperatura, termoelektrični uređaji i danas su nedovoljno iskorišteni.

"Istraživali smo načine kako napraviti termoelektrični uređaj koji bi mogao sakupljati energiju iz temperature okoline. Naš se laboratorij usredotočuje na korisnost i primjenu organskih spojeva, a mnogi organski spojevi imaju jedinstvena svojstva po kojima mogu lako međusobno prenositi energiju", objašnjava profesor Chihaya Adachi iz Centra za istraživanje organske fotonike i elektronike (OPERA) Sveučilišta Kyushu koji je vodio studiju. "Dobar primjer snage organskih spojeva može se pronaći u OLED-ima ili organskim solarnim ćelijama."

Ključ je bio pronaći spojeve koji dobro funkcioniraju kao sučelja za prijenos naboja, što znači da mogu lako međusobno prenositi elektrone. Nakon testiranja različitih materijala, tim je pronašao dva održiva spoja, bakrov ftalocianin (CuPc) i bakrov heksadekafluor ftalocianin (F 16 CuPc).

"Kako bismo poboljšali termoelektrična svojstva ovog novog sučelja, također smo uključili fulerene i BCP", kaže Adachi. "Poznato je da su oni dobri pomagači prijenosa elektrona. Dodavanje ovih spojeva značajno je povećalo snagu uređaja. Na kraju smo imali optimizirani uređaj sa 180 nm slojem CuPc, 320 nm F 16 CuPc, 20 nm fulerena i 20 nm BCP."

Optimizirani uređaj imao je napon otvorenog kruga od 384 mV, gustoću struje kratkog spoja od 1,1 μA/cm 2 i maksimalnu izlaznu snagu od 94 nW/cm 2 . Svi ovi rezultati postignuti su na sobnoj temperaturi bez upotrebe temperaturnog gradijenta.

"Došlo je do značajnog napretka u razvoju termoelektričnih uređaja, a naš novi predloženi organski uređaj sigurno će pomoći da se stvari pomaknu naprijed", zaključuje Adachi. "Željeli bismo nastaviti raditi na ovom novom uređaju i vidjeti možemo li ga dodatno optimizirati s različitim materijalima. Čak vjerojatno možemo postići veću gustoću struje ako povećamo površinu uređaja, što je neuobičajeno čak i za organske materijale. To vam samo pokazuje da organski materijali imaju nevjerojatan potencijal."

Istraživanje objavljeno u časopisu Nature Communications možete pronaći na ovoj poveznici.