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三维打印的半导体立方体可以将废热转化为电能

谦太祥和 发布于: 2019年7月12日 1时14分5秒 阅读0次

  在英国斯旺西大学的办公室里,副教授 Matthew Carnie 可以清楚的看到塔塔钢铁公司的炉架。对一些人来说,这些烟囱很难看。但是在 Carnie 看来,这是一个机会。根据 Carnie 的计算,他们排放了核电站大量的废热,总体来说,这些废热与一些核电站具有相同的发电量。

  有了这些潜在可利用的能量,Carnie 和他的研究团队已经开发出一种混合的 3D 打印半导体材料,可以将废热转化为电能。它的效率比另一种便宜的半导体材料——屏幕印刷的碲化铅(lead telluride)要高出 50%,而且这种新材料可以便宜地组装成一种在任何应用场合都能转换高达 10% 热量的装置。

  Carnie 说:“理想情况下,它们可以部署在高等级废热的地区,用于发电以提高能源效率。”他说,由于英国工业使用的六分之一的能源作为废热排入大气,这种可能性很大。

  Carnie 在印刷光电领域有专长,最近一直在探索热电领域。在这里,当热电子从一种被加热的材料流向另一种相对较冷的材料时,像半导体和导电体这样的材料会产生电压。迄今为止,最有效的半导体材料是由锡和硒制成的硒化锡。虽然它保持了废热转化效率的记录,但还没有成为商业设备。

  要使用它,Carnie 需要合适的设备,可以用等离子烧结材料或在超过几百摄氏度的高压和高温下压制材料。那些机器不在他的部门预算之内。

  Carnie 想知道他是否能把他所知道的从印刷光伏材料到热电的一些东西转移出去。他问研究小组成员和博士后研究员 Matthew Burton,他们是否能把硒化锡变成墨水。以前没人这么做过,Burton 对此表示怀疑。但他通过将锡和硒粉与有机粘合剂和水混合来实现这一目标。

  然后,Burton 将墨水倒进每侧约 10 毫米的立方体小模具中,在 120 摄氏度的烤箱中烘干。最后,他在 800 多度的K温度下烘烤立方体以烧掉有机粘合剂。

  Carnie 说,从第一个结果中得出的效率测量是有希望的。在热电器件领域,效率是通过一个被称为 ZT 的“品质因数”来衡量的。任何超过 1 ZT 的都被认为是非常有前途的。Burton 的第一块立方体在 0.5zt 左右进行了测试。通过调整粘结剂的用量和锡硒比,Burton 获得了 1.7zt。

  “这是用这种方式制作的热电材料的记录,”Carnie 说。

  Carnie 说,还需要做更多的研究。对于初学者来说,他们只制造了两种不同半导体材料中的一种,这种材料需要能够容纳热电子的类型。他们仍然需要使“更冷”的一边,那里的电子流动。但今年秋天,塔塔钢铁公司将赞助一名博士生帮助开发第二部分,最终这两种材料将被夹在陶瓷片之间,制成热电装置。

  Carnie 说,钢铁厂是否最终采用这种系统将取决于成本。但他充满希望。他说,室温下的墨水混合起来很便宜,如果他们能将墨水转移到基于喷嘴的系统中,并用连续的制造方法打印出来,那将是一个巨大的进步。

  这项研究发表在《Advanced Energy Material》上。

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