Nowe zastosowanie dla krzemu w energetyce?

Nowe zastosowanie dla krzemu w energetyce?

Krzem w energetyce znany jest głównie jako surowiec stosowany do produkcji ogniw fotowoltaicznych. W mniejszym lub większym stopniu współczesne ogniwa opierają się na krzemie, który jako materiał półprzewodnikowy warunkuje wystąpienie efektu fotowoltaicznego. Jednak jak pokazują najnowsze badania, których wyniki opublikowano w magazynie Nature krzem wykazuje również cechy termoelektryczne – gdy pomiędzy dwoma częściami elementu występuje różnica temperatur, pojawia się również napięcie. Odkrycie to otwiera nowe pole badań w zakresie stosowania krzemu w procesach konwersji energii.

Uzyskanie efektu termoelektrycznego z użyciem krzemu jest zasługą grupy badawczej pod kierownictwem profesora Peidonqa Yanga z Uniwersytetu Berkeley (Kalifornia, USA). Naukowcy przygotowali specjalne nanoprzewody krzemowe, które umożliwiają generowanie energii elektrycznej w przypadku, gdy pojawia się różnica temperatur. Na chwilę obecną naukowcy zastrzegają, że zaobserwowane zjawisko i zmierzone parametry występują w nanoskali. Nie jest wiadome jaki efekt da połączenie wielu nanoprzewodów, tak aby w makroskali mogły służyć jako urządzenie termoelektryczne.

Materiały wykazujące zjawisko termoelektryczne, takie jak tellurek bizmutu czy tellurek ołowiu, były znane już w latach 60. Są one głównie używane do chłodzenia – po przyłożeniu napięcia do materiału termoelektrycznego następuje rozgrzanie jego jednego końca i ochłodzenie drugiego. Tego typu urządzenia są stosowane m.in. w przenośnych lodówkach czy chłodzonych fotelach w samochodach.

Biorąc pod uwagę, że ogromna część energii powstającej w wyniku konwersji użytecznej jest bezpowrotnie tracona w postaci ciepła, potencjalna grupa zastosowań elementów termoelektrycznych jest bardzo szeroka. Tzw ciepło odpadowe towarzyszące wielu procesom generacji i konwersji mogłoby z powodzeniem być przekształcane na energię elektryczną. Jednak do tej pory, ze względu na wysoki koszt pozyskania materiałów termoelektrycznych technologia ta nie została rozpowszechniona.

Krzem, będący w makroskali raczej „kiepskim” termoelektrykiem, po odpowiednim ukształtowaniu (do postaci nanoprzewodu) okazuje się zmieniać swoje właściwości. W stosunku do tellurku bizmutu, pozyskanie krzemu jest możliwe relatywnie niskim kosztem, co daje możliwość zastosowania go w szerszym spektrum niż miało to miejsce w przypadku klasycznych materiałów. Potencjalne możliwość zastosowania krzemu w nowej roli to również bezpośrednia konwersja promieniowania cieplnego słońca na energię elektryczną. W ostatnim ze wspomnianych zastosowań, ze względu na duży popyt rynkowy na krzem, nowa metoda pozyskiwania energii musiałaby efektywnie konkurować o surowiec z ogniwami bazującymi na efekcie fotowoltaicznym.

Aby stosowanie termoelektryków w generacji na szerszą skalę było opłacalne ich sprawność musiałaby wzrosnąć co najmniej dwukrotnie. Jednak jak mówi profesor Mildred Dresselhaus z MIT – należąca do pionierów badań z zakresu termoelektryki, uzyskanie wyższej sprawności być może będzie realne dzięki zastosowaniu nanotechnologii. W przypadku tellurku bizmutu manipulowanie na poziomie nano-struktur jest bardzo trudne. Inaczej sprawa wygląda w przypadku krzemu, dla którego już na chwilę obecną istnieje ogromne zaplecze technologiczne.

(au-pk)