Hoe Verhogen We de Efficiëntie van Thermo-elektrische Materialen voor Duurzame Energie?

Het enthousiasme rondom de ontwikkeling van nieuwe technologieën in de hernieuwbare energie is onmiskenbaar, maar het is van groot belang om te beseffen dat we ons nog steeds in de beginfase van deze vooruitgang bevinden. Wetenschappers onderzoeken al geruime tijd manieren om de efficiëntie van zonnecellen en thermo-elektrische materialen te verbeteren, maar het pad naar breed toepasbare oplossingen is nog lang niet voltooid. Een van de meest opvallende recente doorbraken in de zonne-energiesector werd behaald door het Fraunhofer Instituut voor Zonne-energiesystemen, waarbij de efficiëntie van een zonnecel met vier lagen werd verhoogd van 46,1% naar 47,6%. Deze vooruitgang werd bereikt door de toepassing van een innovatieve antireflectiecoating, wat niet alleen een belangrijke stap vooruit betekent voor de technologie zelf, maar ook voor het globaliseren van zonne-energie.

Eveneens belangrijk zijn de recente vorderingen in de thermodynamica en thermo-elektriciteit, met name in het omzetten van verloren warmte-energie in bruikbare elektriciteit. Thermo-elektrische modules zijn een technologie die energie converteert door middel van de Seebeck- en Peltier-effecten. Deze methoden maken gebruik van eenvoudige temperatuurverschillen om elektriciteit te genereren, zonder dat mechanische krachten of chemische processen nodig zijn, wat ze robuust, klein en betrouwbaar maakt. De uitdaging ligt echter in het verbeteren van de thermo-elektrische materialen zodat ze zowel effectief als economisch haalbaar zijn, zonder schadelijke impact op het milieu.

In de afgelopen decennia heeft het verbranden van fossiele brandstoffen zware gevolgen gehad voor het milieu, wat leidde tot een ongekende toename van de koolstofdioxide-emissies. Dit heeft de urgentie vergroot om alternatieve energiebronnen te vinden en tegelijkertijd de energieverliezen te verminderen. Het benutten van verloren warmte, bijvoorbeeld in industriële processen, is een sleutelstrategie geworden. Thermo-elektrische modules zijn ontworpen om deze verloren warmte om te zetten in elektriciteit, en hun ontwikkeling heeft aanzienlijke aandacht gekregen. Het systeem maakt gebruik van halfgeleiders, zoals telluriden en chalcogeniden, die bekend staan om hun vermogen om hoge Seebeck-coëfficiënten te behouden bij lage thermische geleidbaarheid. Toch blijft er een uitdaging bestaan in de beperkte beschikbaarheid van deze materialen, evenals in de hoge kosten van bepaalde verbindingen, zoals tellurium.

De thermische efficiëntie van thermo-elektrische materialen wordt geëvalueerd aan de hand van de dimensionless thermoelectric figure of merit, zT. Deze waarde wordt berekend door de vergelijking zT = S²σT/κ, waarbij S de Seebeck-coëfficiënt is, σ de elektrische geleidbaarheid, T de temperatuur en κ de thermische geleidbaarheid. Hoe groter de waarde van zT, hoe hoger de efficiëntie van de energieomzetting. De ideale thermo-elektrische stof moet tegelijkertijd een hoge Seebeck-coëfficiënt en een goede elektrische geleidbaarheid bezitten, met behoud van een lage thermische geleidbaarheid. Voor praktische toepassingen is het van cruciaal belang dat materialen een zT-waarde van 2 of hoger bereiken, wat mogelijk is door de ontdekking van nieuwe verbindingen en technologieën.

Er zijn verschillende benaderingen die de efficiëntie van thermo-elektrische materialen kunnen verbeteren. Doping is een proces waarbij extra elementen worden ingebracht in de kristalstructuur van een materiaal, om zo de concentratie van ladingsdragers te manipuleren en de thermodynamische eigenschappen van het materiaal te verbeteren. Nanostructurering speelt eveneens een cruciale rol in het verbeteren van de prestaties van thermo-elektrische materialen, omdat de opzettelijke creatie van nanostructuren de elektrische en thermische eigenschappen van materialen aanzienlijk kan verbeteren. Het engineering van korrelgrenzen is ook een veelbelovende techniek, omdat het de thermische geleiding binnen het materiaal kan verlagen, wat de efficiëntie van de energieomzetting ten goede komt.

Het gebruik van materialen zoals Bi2Te3 (bismuttelluride) en PbTe (loodtelluride) heeft al aangetoond dat deze verbindingen sterke thermoelectrische eigenschappen bezitten. Ze worden vaak gebruikt in commerciële toepassingen, hoewel hun gebruik wordt beperkt door de hoge kosten van de benodigde grondstoffen, zoals tellurium. Om dit probleem te verhelpen, richten wetenschappers zich steeds meer op alternatieven, zoals zwavel- en seleenverbindingen (bijvoorbeeld Bi2S3 en PbSe), die als veelbelovende opties worden beschouwd voor toekomstige ontwikkelingen.

Het is van essentieel belang dat de nieuwe materialen niet alleen technisch geavanceerd zijn, maar ook economisch haalbaar en milieuvriendelijk. Het gebruik van niet-toxische en overvloedige materialen zal uiteindelijk de acceptatie en verspreiding van thermo-elektrische technologieën vergemakkelijken. De zoektocht naar efficiëntere, goedkopere en duurzamere materialen is een voortdurende uitdaging voor materialenspecialisten.

Deze innovaties hebben het potentieel om de manier waarop we energie genereren en gebruiken ingrijpend te veranderen. De toepassingen zijn divers en kunnen variëren van hernieuwbare energieopwekking tot het efficiënter maken van apparaten door het gebruik van thermo-elektrische koeltechnologieën. Het feit dat er nog veel obstakels zijn, zoals de kosten van materialen en de noodzaak voor innovaties in fabricagetechnologieën, betekent echter dat de reis naar een volledig duurzame en energie-efficiënte toekomst nog maar net is begonnen.

Wat zijn de belangrijkste uitdagingen bij het gebruik van 2D-halfsupergeleiders voor chips in de toekomst?

2D-halfsupergeleiders (2D SCM's) worden steeds vaker gezien als de sleutel tot de miniaturisatie van elektronische apparaten, vooral voor de ontwikkeling van chips met een technologie van minder dan 1 nm. De unieke eigenschappen van deze materialen, waaronder hun robuuste elektrische eigenschappen bij atomaire schaal, maken ze veelbelovend voor de toekomstige chiptechnologie. Er zijn echter verschillende uitdagingen verbonden aan de groei, integratie en prestaties van deze materialen, die niet over het hoofd mogen worden gezien bij het ontwerpen van chiptechnologieën van de toekomst.

De groei van monolaag 2D SCM's op een geschikte substraat is een van de belangrijkste uitdagingen. De schaalbaarheid van de synthese van grote, hoogwaardige monolagen is een cruciale factor voor de breedte van toepassingen in de chipindustrie. Heden ten dage zijn de meeste technieken voor het kweken van 2D-materialen, zoals CVD en MOCVD, gebonden aan hoge groeitemperaturen die niet geschikt zijn voor traditionele chipfabricageprocessen. Temperaturen boven de 450°C kunnen de substraten en andere aangebrachte materialen beschadigen, wat betekent dat transfertechnieken vaak noodzakelijk zijn. Hoewel deze technieken geschikt zijn voor laboratoriumschaal, is het reproductief verkrijgen van monolagen op waferschalige formaten met uniforme eigenschappen een complex probleem.

Daarnaast zijn de interface-defecten en de lattice mismatch tussen de 2D SCM's en het substraat een aanzienlijke belemmering. Deze defecten kunnen de stabiliteit van de monolagen verminderen, wat leidt tot een verminderde prestaties van de uiteindelijke apparaten. Vooral in de transistors, waar de lagen gestapeld moeten worden, kunnen deze defecten de werking van de transistor nadelig beïnvloeden. Het gebruik van 2D-materialen zoals grafeen als contactmaterialen kan de lattice mismatch verminderen en mogelijk een oplossing bieden, aangezien deze materialen beter aansluiten bij de eigenschappen van de 2D SCM's.

Een ander belangrijk probleem is de milieugevoeligheid van 2D SCM's. Deze materialen zijn gevoelig voor luchtvochtigheid en kunnen na verloop van tijd degraderen, wat hun langetermijnstabiliteit beïnvloedt. Het gebruik van passiveringslagen of encapsulatie is essentieel om de levensduur van deze materialen te verlengen en hun stabiliteit in werkende apparaten te garanderen.

Bij de prestaties van transistors gemaakt van monolaag 2D SCM's spelen contactweerstand en Schottky-barrières een cruciale rol. De grote Schottky-barrière tussen de metalen contacten en de 2D SCM's kan de prestaties van de transistor aanzienlijk verminderen. De hoogte van de Schottky-barrière wordt beïnvloed door de werkfunctie van het metaal en de elektronische affiniteit van het 2D-materiaal. Dit probleem kan worden verholpen door de keuze van de juiste metalen contacten of door het gebruik van grafeen als alternatief voor traditionele metalen contacten. In sommige gevallen is het toevoegen van tunnellaagmaterialen zoals Ta2O5 ook een mogelijke oplossing voor het verlagen van de contactweerstand en het verbeteren van de prestaties.

Kortom, de vooruitgang op het gebied van 2D SCM's biedt veelbelovende kansen voor de ontwikkeling van chips die kleiner, krachtiger en energiezuiniger zijn dan de huidige technologieën. Het begrijpen en oplossen van de technische uitdagingen die gepaard gaan met de groei en integratie van deze materialen zal echter van essentieel belang zijn om hun volledige potentieel te realiseren. Innovaties op het gebied van synthese, materiaalkeuze en apparaatontwerp zijn nodig om de obstakels die nu nog bestaan in de groei en toepassing van 2D SCM's te overwinnen.