Efficiënt thermo-elektrisch materiaal zet warmte om in stroom

Kort & bondig

Thermo-elektrische materialen gebruiken een temperatuurverschil om een elektrische stroom op te wekken. Anorganische thermo-elektrische materialen zijn behoorlijk efficiënt, maar ze bevatten giftige of zeldzame elementen en zijn vaak erg bros, waardoor ze niet geschikt zijn voor alledaagse toepassingen. Maar organische varianten zijn wel veilig in het gebruik, alleen werken die weer niet zo efficiënt in het omzetten van een temperatuurverschil in stroom. Een team van wetenschappers onder leiding van RUG-hoogleraar Fysica van Halfgeleiders Jan Anton Koster heeft nu een efficiënter organisch thermo-elektrisch materiaal ontwikkeld, gemaakt van zogeheten buckyballen met organische zijketens. Dit flexibele materiaal is te gebruiken om draagbare elektronica van stroom te voorzien.

Thermo-elektrisch materiaal kan een temperatuurverschil omzetten in stroom. Organische thermo-elektrische materialen lijken bruikbaar als krachtbron voor draagbare elektronica of sensoren, maar ze hebben nog te weinig vermogen. Nu heeft een team onder leiding van RUG-hoogleraar Fysica van Halfgeleiders Jan Anton Koster een organische halfgeleider gemaakt met verbeterde eigenschappen die dit soort toepassingen dichterbij brengt. De resultaten zijn op 10 november gepubliceerd in Nature Communications.

De enige door mensen gemaakte krachtbron die zich buiten het zonnestelsel bevindt is een thermo-elektrische generator: zo’n generator voorziet de twee Voyager ruimtesondes van stroom uit warmte, in dit geval geproduceerd door radioactiviteit. ‘Het mooie van dit type generator is dat er geen bewegende delen in zitten die kapot kunnen gaan’, legt Koster uit.

Geleiding

Maar het anorganische thermo-elektrische materiaal in de generatoren van de Voyagers is niet geschikt voor meer aardse toepassingen. Ze bevatten namelijk giftige of zeer zeldzame elementen. Bovendien is het materiaal doorgaans stijf en bros. ‘Daarom is er belangstelling voor organische thermo-elektrische materialen’, zegt Koster. Alleen, die hebben ook zo hun problemen. Een optimaal thermo-elektrisch materiaal moet een zogeheten fonon-glas zijn, materiaal met een zeer lage warmtegeleiding zodat het temperatuurverschil in de generator in stand blijft, maar ook een elektron-kristal, materiaal met een zeer hoge elektrische geleiding. Die is nodig om de geproduceerde stroom te transporteren. Koster: ‘Het probleem met organische halfgeleiders is dat ze doorgaans een slechte elektrische geleiding hebben.’

Maar RUG-onderzoekers hebben meer dan tien jaar ervaring in de ontwikkeling in goed geleidende organische fotovoltaïsche materialen, wat hen ook ideeën opleverde voor het verbeteren van organische thermo-elektronica. Ze richtten hun aandacht daarbij op de zogeheten n-type halfgeleider, die een negatieve lading heeft. Voor een werkende thermo-elektrische generator zijn zowel halfgeleiders van het n-type als het p-type (met een positieve lading) nodig. En de organische p-type halfgeleiders werken al behoorlijk goed.

Buckyballen

Het team gebruikte zogeheten fullerenen (bolvormige moleculen die bestaan uit zestig koolstofatomen, ook wel buckyballen genoemd) met daaraan verbonden een dubbele zijketen, van triethyleen-glycol. Voor de elektrische geleiding is er een n-type geleidend materiaal toegevoegd. ‘De fullerenen hebben van zichzelf al een zeer lage warmtegeleiding, maar de zijketens maakten die nog lager zodat het materiaal een goed fonon-glas is’, legt Koster uit. ‘Bovendien helpen de zijketens om de geleidende stof vast te houden tijdens het uitharden, zodat er een geordende structuur ontstaat.’ Die structuur maakt van het materiaal een elektron-kristal met een hoge elektrische geleiding, gelijk aan die van zuivere fullerenen.

‘Op deze manier hebben wij het eerst organische fonon-glas elektron-kristal gemaakt’, zegt Koster. Maar het belangrijkste vindt ik de thermo-elektrische eigenschappen.’ Die worden uitgedrukt in de zogeheten ZT waarde. De T staat voor de temperatuur waarbij het materiaal werkt, de Z bevat de overige eigenschappen. Het nieuwe materiaal heeft de hoogste ZT waarde in zijn klasse van 0,2 naar 0,3 gebracht, een significante verbetering.

Sensoren

‘Een ZT waarde van 1 wordt gezien als grens voor commerciële toepassing, maar wij denken dat ons materiaal al bruikbaar is voor systemen die een lage stroomsterkte nodig hebben’, zegt Koster. Om bepaalde sensoren van stroom te voorzien is niet meer dan een paar microwatt nodig. Enkele vierkante centimeter van het nieuwe materiaal is daarvoor al genoeg. ‘De groep uit Milaan waarmee we samenwerken heeft al thermo-elektrische generatoren gemaakt op basis van fullerenen met een enkele zijketen, die een lagere ZT waarde hebben dan het nieuwe materiaal.’

Alle componenten van dit materiaal zijn commercieel verkrijgbaar en het opschalen van de productie lijkt ook goed mogelijk, denkt Koster. Hij is daarom heel blij met het resultaat van het onderzoek. ‘Het artikel is door twintig auteurs van negen verschillende onderzoeksgroepen geschreven. We hebben onze kennis gecombineerd over synthetische organische chemie, organische halfgeleiders, moleculaire dynamica, thermische geleiding en röntgen-structuurmetingen om tot dit resultaat te komen. En we hebben al ideeën over hoe we de efficiëntie verder kunnen verhogen.’

(referentie onder de video)

Referentie: Jian Liu, Bas van der Zee, Riccardo Alessandri, Selim Sami, Jingjin Dong, Mohamad I. Nugraha, Alex J. Barker, Sylvia Rousseva, Li Qiu, Xinkai Qiu, Nathalie Klasen, Ryan C. Chiechi, Derya Baran, Mario Caironi, Thomas D. Anthopoulos, Giuseppe Portale, Remco W. A. Havenith, Siewert J. Marrink, Jan C. Hummelen & L. Jan Anton Koster: N-type organic thermoelectrics: demonstration of ZT > 0.3 Nature Communications 10 november 2020