Descubrimiento inesperado promete hacer mas eficiente los dispositivos termoeléctricos

Los científicos del Laboratorio Berkeley y sus colegas han descubierto una nueva relación entre los campos eléctrico y magnético y las diferencias de temperatura, que puede conducir a dispositivos termoeléctricos más eficientes que convierten el calor en energía eléctrica o la electricidad en calor.

En la búsqueda de nuevas fuentes de energía, termoeléctricas – la capacidad de convertir las diferencias de temperatura directamente en electricidad sin desperdicio pasos intermedios – es tremendamente prometedor“, dice Wu Junqiao de Lab’s Materials Sciences Division (MSD) de Berkley, quien dirigió el equipo de investigación. Wu también es profesor de ciencia de materiales e ingeniería en la Universidad de California en Berkeley. “El nuevo efecto que hemos descubierto había sido ignorado por la comunidad termoeléctrica, y puede favorecer enormemente la eficiencia de termoeléctricas y otros dispositivos.

Wu y sus colegas encontraron que los gradientes de temperatura en los semiconductores, cuando uno de los lados del dispositivo es más caliente que el lado opuesto, puede producir vórtices electrónicos – remolinos de corriente eléctrica – y puede, al mismo tiempo, crear campos magnéticos en ángulo recto tanto para el plano de las corrientes eléctricas y remolinos de la dirección del gradiente térmico. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Physical Review B .

Wu dice: “Hay cuatro efectos bien conocidos que se relacionan con los campos térmicos, eléctricos y magnéticos” – por ejemplo, el efecto Hall, que describe la diferencia de voltaje a través de un conductor eléctrico en un campo magnético perpendicular – “pero en todos estos efectos del campo magnético es un insumo, no un resultado. Nos preguntamos: ‘¿Por qué no utilizar el campo eléctrico y el gradiente de calor como las entradas y tratar de generar un campo magnético? “

Para poner a prueba las posibilidades, los investigadores crearon un práctico dispositivo formado por dos capas de silicio: una capa delgada, negativamente dopados (tipo N) con un exceso de electrones y una más gruesa, la capa positiva dopados (tipo P) con un exceso de agujeros, que son las ausencias de electrones que se comportan como partículas con carga positiva.

En el cruce donde las capas de silicio dopado opuesto se encuentran, un tercer tipo de capa llamada se forma una unión PN, no física, sino electrónica: los electrones de la capa difusa de tipo N a través de la frontera física en la capa de tipo P, mientras que los agujeros se mueven en la dirección opuesta, formando una capa de agotamiento donde los cargos son “seca”.

Dada la alta densidad de electrones móviles en la superficie de la capa de tipo N y la alta densidad de los agujeros en la superficie celular de la capa de tipo P, pero pocas cargas móviles en la capa de agotamiento, el campo eléctrico es más fuerte cerca de la unión . Esta capa profunda tiene efectos profundos, cuando un gradiente de calor se aplica a las capas de silicio unido.

Despierta y huele el champán

“Hay tres maneras en que las cargas se pueden mover – tres tipos de corrientes”, dice Wu. “Una es la corriente de difusión, en el que las partículas se mueven de las zonas más densas de las zonas menos densas. Esto no tiene nada que ver con la carga. Piense en una botella de champán. Hago estallar el corcho, y poco después de un rato se puede oler el champagne, porque las moléculas se difunden desde su gran concentración en la botella en el aire. “

El segundo tipo de corriente que se llama la deriva actual. “Si hay un proyecto en la sala de avanzar hacia usted, usted puede oler el cava un poco más temprano, o si se mueve lejos de ti, un poco más tarde”, explica Wu. “En un dispositivo electrónico, una corriente de deriva es causada por la tensión de polarización, el campo eléctrico.”

Wu dice, “Así que en un dispositivo electrónico que tenemos de difusión actual lejos de las zonas de carga densa, y la deriva actual, debido al campo eléctrico, y ahora se añade una tercera, la actual termoeléctrica, que es otra forma de la deriva actual en la que carga portadores se mueven desde el extremo más caliente del dispositivo hasta el final más fresco. “

Los resultados serían interesantes si todas las corrientes se apunta en la misma dirección o en direcciones opuestas, pero no lo son. El campo eléctrico crea una deriva actual de la capa de carga negativa superior hacia la capa inferior con carga positiva del dispositivo – en movimiento en contra de las corrientes de difusión de los portadores de carga. Mientras tanto, el gradiente de calor crea una corriente de deriva en ángulo recto con el campo eléctrico.

“En estas fuerzas perpendiculares en conflicto, los electrones y los huecos no se puede mantener el movimiento recto, pero son absorbidos por vórtices”, dice Wu.

En lugar de un vórtice vertical único en el dispositivo, los vórtices se forman en cada capa y están separados por la capa de agotamiento. En la capa de tipo N, los electrones muy distantes entre sí cerca de la capa de agotamiento se mueven con el gradiente de temperatura, del calor al frío, sino que se mueven en la dirección opuesta en la superficie, donde los electrones se agrupan más cerca. El vórtice formado por los agujeros en la capa de tipo N, es casi una imagen especular de la vorágine de electrones.

El resultado inusual es que sólo mediante la aplicación de calor a un extremo de un dispositivo de silicio simple, los investigadores pueden generar un campo magnético perpendicular a los vórtices gemelos – un campo magnético que emerge en ángulo recto con el plano de las dos capas de silicio.

“La aplicación inmediata no es que se puede hacer un campo magnético, que es relativamente débil, pero la idea de que la eficiencia de los dispositivos semiconductores, incluyendo los productos comerciales, podría ser más eficaz si lo hacemos bien”, dice Wu. “Por ejemplo, el diseño de ellos para asegurarse de que sus campos eléctricos, y la falta de homogeneidad en la composición o el dopaje, están alineados con sus gradientes de calor podría evitar perder estos vórtices de energía actual.”

Fascinación de Wu con el nuevo efecto que él y sus compañeros descubrieron que no se detiene ahí, sin embargo.“Mi interés no es sólo en la fabricación de productos electrónicos más eficientes, sino en hacer cosas buenas fuera de este. El primer paso es confirmar con el experimento de lo que hemos descubierto a través del modelado. Después de eso, un programa totalmente nuevo de la investigación se abre.”

Wu explica que los notables efectos electrónicos y magnéticos causados ​​por las diferencias de temperatura en el modelo actual y puede ser duplicado por otros tipos de excitación no homogénea – por ejemplo, por la forma en la luz incide sobre una célula solar. “Diferenciación de la intensidad o diferentes longitudes de onda que caen en las diferentes áreas de un dispositivo fotovoltaico producirá el mismo tipo de vórtices electrónicos y podría afectar la eficiencia de células solares. La comprensión de este efecto puede ser un buen camino para mejorar la eficiencia en la electrónica, la energía térmica y energía solar”.