Kvantprickar omvandlar värme till el – på direkten

En fråga som diskuterats bland fysiker i decennier är om det effektivt går att direktomvandla värme till el – utan mellanled. Nu vet vi svaret: det går!

Att använda värme för att producera elektricitet är i sig inget nytt. Termoelektricitet har varit känt i nästan två hundra år, och fenomenet används exempelvis i elektriska termometrar. Inte heller termoelektriska material är något nytt; sådana har utvecklats sedan man började använda halvledare på 1950-talet och används exempelvis för att kyla kamerasensorer och i små kylskåp. Men effektiviteten och tillämpningarna har hittills varit begränsade.

Den nya teknikens verkningsgrad är lika hög som i de betydligt större kraftverk som genererar el av värme. Men av uppenbara skäl kan den klassiska kraftverks-tekniken inte tillämpas på liten skala – det går helt enkelt inte att driva en mobiltelefon av värme som framställts av gas, kol eller kärnenergi med hjälp av en ång- eller gasturbin. Om vardaglig elektronik ska generera el av värme på egen hand måste det av utrymmesskäl ske direkt, utan mellanled.

– Vi har nu visat att det går att göra denna typ av termoelektrisk energiomvandling med hög verkningsgrad. Det finns en hel del praktiska problem kvar att lösa, men vi har visat att någon fundamentalt viktig begränsning inte finns, säger Heiner Linke, professor i nanofysik vid LTH, Lunds universitet.

Så hur fungerar den nya tekniken:
Grunden utgörs av nanotrådar: atomtunna, halvledande ”pinnar” som under många år utvecklats i bland annat Lund och som används för att effektivisera till exempel LED-lampor och solceller.

Det är här termoelektriciteten kommer in. Principen med termoelektricitet handlar om att utnyttja den spänning som uppstår när elektroner börjar förflytta sig från varma till kalla områden. I nanotrådarna börjar elektroner vandra från den yttersta, varma änden – som i experimentet värms med hjälp av ett litet element men som i en tillämpning kan utnyttja värmeskillnader från omgivningen – till den innersta, kalla änden av nanotråden och blir ström.

Men det räcker inte med nanotrådar. Man måste också lyckas fånga den energi som annars ”går upp i rök” som värme. Lundaforskarnas ”infångare” heter kvantprickar. Inuti nanotråden har de placerat en – minst sagt – extremt liten struktur som fungerar som ett filter. Denna väljer ut de elektroner som drivs av exakt den mängden energi som ger optimal verkningsgrad. Elektroner som för med sig mycket värme, men generar lite ström, avvisas.

Tar tillvara värmeskillnaderna i omgivningen
Storheten i de nya resultaten ligger i att forskarna utvecklat en materialoberoende teknik som skulle kunna användas i flera sammanhang. Energiförbrukningen kan minska rejält om olika slags elektronik förmår tillvarata värmeskillnader i omgivningen för att utvinna elektrisk ström.

Exempelvis kan solceller och andra sensorer bli effektivare, kylskåp vara längre och elektriska prylar behöver inte laddas lika ofta.

Härnäst kommer forskarna att jobba vidare med tekniken genom att undersöka om den går att tillämpa på att solceller.

– I solceller är det så att ljusets fotoner ger elektronerna en extra knuff som i traditionella solceller går förlorad som värme. Vi hoppas på att den nya tekniken istället kan omvandla den extra energin till el och på så vis kanske kunna göra dem mer effektiva.

Studien:
A quantum-dot heat engine operating close to the thermodynamic efficiency limits, Nature

Kontakt:
Heiner Linke, professor i nanofysik vid LTH, Lunds universitet, heiner.linke@ftf.lth.se