Nhiệt điện: Nửa còn lại đã được tìm thấy

Hãy tưởng tượng rằng chúng ta có một cỗ máy có thể chuyển hoá nhiệt từ bất cứ đâu, bất cứ nơi nào từ ánh sáng mặt trời đến nhiệt trong lòng đất, hoặc thậm chí thân nhiệt từ cơ thể thành điện năng. Điều kì diệu của cỗ máy này là không có bộ phận chuyển động, không phát ra tiếng ồn, không tạo ra khí thải. Những gì bạn đang tưởng tượng chính là các vật liệu nhiệt điện. Một vật liệu có khả năng chuyển hoá một chênh lệch nhiệt độ thành một chênh lệch hiệu điện thế ở hai đầu vật liệu. Một cỗ máy phát điện sử dụng vật liệu này là được xây dựng từ một vật liệu bán dẫn loại n và một bán dẫn loại p. Các vật liệu bán dẫn được đặt song song với nhau, trong đó các đầu vật liệu được kết nối với nhau bởi một tấm kim loại như trong Hình 1.

Screenshot 2017-03-23 16.41.33.png
Hình 1: Sơ đồ mát phát điện sử dụng cặp vật liệu nhiệt điện loại n và p. Nguồn: Nature Energy (2017).

Nhiệt điện đang là chủ đề thu hút không những các nhà khoa học mà còn nhận được đầu tư lớn từ các nước phát triển. Những nước này muốn hạn chế sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng than đá và dầu mỏ, trong khi đó cũng muốn giảm lượng CO2 ra môi trường. Do đó tìm kiếm các giải pháp năng lượng bền vững và thân thiện với môi trường như nhiệt điện là rất quan trọng trong chiến lược phát triển đất nước. Tuy nhiên, hiệu quả của nhiệt điện hiện nay là chỉ khoảng từ 10% đến 20% so với hiệu quả lý thuyết của chu trình Carnot bởi vì sự nghèo nàn của các vật liệu nhiệt điện. Sau một thập kỷ dài tìm kiếm, gần đây nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi Zhao [1] đã cho thấy vật liệu bán dẫn SnSe loại p có hiệu quả nhiệt điện cao nhất hiện nay được biết tới với giá trị đặc trưng ZT = 2 ở nhiệt độ cao. Việc thành công trong việc tìm thấy vật liệu bán dẫn loại p dẫn đến việc tìm kiếm nửa còn lại: Vật liệu nhiệt điện loại n. Vật bán dẫn này cuối cùng cũng đã được tìm thấy gần đây bởi nhóm các nhà khoa học Hàn Quốc. Họ tìm thấy ZT = 2.2 có đạt được ở cùng vật liệu là SnSe [2]. Việc tìm thấy hiệu quả nhiệt điện cao đối với vật liệu SnSe với cả hai loại bán dẫn n và p hi vọng sẽ là nền tảng của các thiết bị nhiệt điện trong lương lại.

[1] Zhao, L. D. et al. Nature 508, 373–377 (2014).
[2] Duong, A. T. et al. Achieving ZT=2.2 with Bi-doped n-type SnSe single crystals. Nat. Commun. 7, 13713 (2016).

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s