Ученые в Японии разработали новое органическое устройство, которое может извлекать энергию из тепла. В отличие от других термоэлектрических генераторов, этот работает при комнатной температуре без теплового градиента.
Термоэлектрические устройства разработаны для использования простого закона физики: тепловая энергия перемещается из более горячих областей в более холодные. В этих устройствах электроны перемещаются от более теплой поверхности к более холодной, что создает электрический ток. Теоретически термоэлектрические генераторы, материалы и краски могут вырабатывать электричество из небольших разниц температур в двигателях, электростанциях и даже из тепла тела.
Обычно, чем больше градиент температуры, тем лучше термоэлектрический генератор, но теперь ученые из Университета Кюсю в Японии нашли способ использовать относительно низкую энергию, доступную при комнатной температуре, без градиента вообще.
Вместо этого новое устройство работает по принципу, называемому разделением зарядов. Тепло окружающего воздуха заставляет отрицательные электроны и положительные электронные «дырки» в материале разделяться и двигаться в разных направлениях, создавая ток.
Рассматриваемые материалы представляют собой органические соединения, которые могут легко переносить электроны между собой. Различные типы этих соединений укладываются в тонкие слои, как лестницы, и тепло дает электронам или дыркам достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть на следующую «ступеньку».
После множества проб и ошибок различных комбинаций соединений команда остановилась на устройстве со слоем фталоцианина меди толщиной 180 нанометров, гексадекафторфталоцианина меди толщиной 320 нм, фуллерена толщиной 20 нм и батокупроина толщиной 20 нм.
Конечный результат показал напряжение холостого хода 384 милливольта, плотность тока короткого замыкания 1,1 мкА/см2 и максимальную выходную мощность 94 нВт/см2. Конечно, это небольшое количество электричества, но, учитывая, что оно поступает при комнатной температуре, это может подойти для более простых генераторов.
«Мы хотели бы продолжить работу над этим новым устройством и посмотреть, сможем ли мы оптимизировать его дальше с помощью других материалов», — сказал профессор Чихая Адачи, ведущий автор исследования. «Мы даже, вероятно, сможем достичь более высокой плотности тока, если увеличим площадь устройства, что необычно даже для органических материалов. Это просто показывает, что органические материалы обладают удивительным потенциалом».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
