Forskare vid Waseda University i Japan har utvecklat framgångsrikt en termoelektrisk generator med hög prestationsförmåga, en ny typ av kisel-nanotråd, som vid en termisk skillnad på endast 5º Celsius skulle kunna driva olika IoT-enheter autonomt inom en snar framtid.
Allt fler vardagsföremål, som högtalare, kylskåp och till och med bilar, blir "smartare" dag för dag när de ansluts till internet och ger och tar emot data, och skapar det som kallas för ”Internet av saker” (IoT), ett nätverk bland dessa alla objekt.
Förkortningen IoT avser vardagsföremål som hushållsapparater, kläder och accessoarer, men även maskiner, fordon och byggnader, med inbyggd elektronik och internetuppkoppling från engelska Internet of Things.
På grund av kisel-nanotrådarnas fördelar i form av dess relativt låga värmeledningsförmåga och höga elektriska konduktans framstår trådarna som ett lovande termoelektriskt material.
Nanotrådar är en nanostruktur som har en diameter i storleksordningen en nanometer (10−9 meter). Nanotrådar kan även definieras som en struktur som har diametern i tiotal nanometer men kan också ha mindre diameter.
Konventionella kiselbaserade termoelektriska generatorer använde långa nanotrådar av ca 10-100 nanometer, vilka avstängdes med hjälp av ett hålrum för att avbryta omloppet av värmeströmmen och säkra temperaturskillnaden över kisel-nanotrådar. Kavitetsstrukturen försvagade dock maskinens mekaniska styrka och ökade tillverkningskostnaden.
För att ta itu med dessa problem utformade och utvecklade en grupp japanska forskare från universiteten i Waseda, Osaka University och Shizuoka framgångsrikt en ny termoelektrisk generator med kisel-nanotrådar, som i samband med experiment visade en hög effektdensitet på 12 mikrogatt per 1 cm2, tillräckligt för att köra sensorer eller förstå intermittent trådlös kommunikation, endast med en liten termisk skillnad.
- Eftersom vår generator använder samma teknik för att tillverka halvledarintegrerade kretsar, kan processkostnaden i stor utsträckning sänkas genom massproduktion, säger professor Takanobu Watanabe från universitetet i staden Waseda och en av studiens ledande författare.
- Upptäckten kan också öppna vägen till olika, autonomt drivna IoT-enheter som använder natur- och kroppsvärme. Det kan till exempel vara möjligt att en dag i framtiden ladda en smartwatch under morgonens motionsrunda.
Den nyutvecklade termoelektriska generatorn förlorade förvisso kavitetsstrukturen, men i stället förkortades kisel-nanotråden till 0,25 nanometer, eftersom simuleringar visade att den termoelektriska prestandan förbättrades genom strukturens minskning.
Professor Watanabe förklarar att den nya termoelektriska generatorn demonstrerade trots sin nya struktur demonstrerade samma effektdensitet som de konventionella anordningarna.
Mer överraskande var att värmebeständigheten och effektdensiteten förändrades från konventionella värdet 750 nanometer till 50 nanometer.
Även om forskargruppen kommer att behöva förbättra generatorns kvalitet för stationär elproduktion under olika förhållanden, hoppas professor Watanabe att resultaten av denna studie kommer att bidra till att gynna effektivare och billigare energiteknik i det framtida IoT-baserade samhället.
Denna studie presenterades vid 2018 Symposium på VLSI Technology and Circuits, som arrangerades på Hawaii, USA mellan 18-22 juni 2018.
Källa: Science Daily