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Figura di merito termoelettrica (ZT)

1950
  • Abram Ioffe
Ricercatore che misura materiali termoelettrici in un laboratorio di fisica dello stato solido.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Il fattore di merito termoelettrico “ZT”, è una quantità adimensionale che misura l'efficienza di un materiale per applicazioni termoelettriche. È definito come [latex]ZT = frac{S^2 sigma T}{kappa}[/latex], dove S è il Seebeck Il coefficiente ZT, σ è la conduttività elettrica, T è la temperatura assoluta e kappa è la conduttività termica. Un valore ZT più elevato indica un materiale termoelettrico più efficiente.

The figure of merit encapsulates the essential properties a material must possess to be effective in thermoelectric energy conversion. The numerator, [latex]S^2 \sigma[/latex], is known as the power factor. A high Seebeck coefficient (S) is needed to generate a large voltage from a given temperature difference, and high electrical conductivity ([latex]\sigma[/latex]) is required to minimize resistive (Joule) heating losses. The denominator, thermal conductivity ([latex]\kappa[/latex]), must be as low as possible. A low [latex]\kappa[/latex] helps maintain a large temperature difference across the device, which is essential for both power generation (Uomo Seebeck) and cooling (effetto Peltier).

The primary challenge in thermoelectric material science is that these properties are often interdependent and conflicting. For instance, materials with high electrical conductivity (like metals) also tend to have high thermal conductivity due to the Wiedemann-Franz law. The quest for high ZT materials has led to advanced strategies like nanostructuring. By creating structures with features on the nanoscale, it is possible to scatter phonons (which carry heat) more effectively than electrons (which carry charge), thereby reducing [latex]kappa[/latex] without significantly harming [latex]sigma[/latex]. This ‘phonon-glass electron-crystal’ concept has led to significant improvements in ZT values over the last few decades.

UNESCO Nomenclature: 2211
- Fisica dello stato solido

Tipo

Proprietà fisica

Interruzione

Incrementale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • scoperte del Seebeck, Peltiere gli effetti Thomson
  • sviluppo della fisica dello stato solido e della teoria dei semiconduttori
  • comprensione dei meccanismi di trasporto elettrico e termico nei solidi
  • legge di Wiedemann-Franz relativa alla conduttività elettrica e termica

Applicazioni

  • benchmark per confrontare le prestazioni di diversi materiali termoelettrici
  • orientare la ricerca scientifica sui materiali verso lo sviluppo di dispositivi termoelettrici più efficienti
  • parametro di progettazione nell'ingegneria dei generatori termoelettrici (tegs) e dei refrigeratori (tecs)
  • prevedere la massima efficienza possibile di un dispositivo termoelettrico

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • inchiostri termoelettrici stampabili per creare raccoglitori di energia di forma personalizzata su qualsiasi superficie
  • pellicole termoelettriche trasparenti per finestre intelligenti che generano energia
  • biodegradable thermoelectric materials for temporary impianti medici
  • vernici termoelettriche per il recupero su larga scala del calore di scarto su tubazioni e motori industriali
  • tessuti termoelettrici flessibili integrati negli indumenti per alimentare dispositivi elettronici personali
  • materiali potenziati da punti quantici con strutture a bande elettroniche ingegnerizzate per zt ultra-elevati
  • compositi termoelettrici autoriparanti per missioni spaziali di lunga durata
  • dispositivi ibridi fotovoltaici-termoelettrici che catturano sia la luce che il calore del sole
  • sensori termoelettrici che misurano il flusso di calore con elevata precisione
  • isolanti topologici come nuova classe di materiali ad alto zt
Correlato a: figura di merito, ZT, efficienza termoelettrica, coefficiente di Seebeck, conduttività elettrica, conduttività termica, scienza dei materiali, fattore di potenza, fonone diffusione, nanostrutturazione.

Contesto storico

Figura di merito termoelettrica (ZT)

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(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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