Dünya üzerindeki enerjinin yaklaşık %60'ının "atık ısı" olarak kaybolduğunu biliyor muydunuz? Araba egzozlarından fabrika bacalarına, hatta insan vücuduna kadar her yer, kullanılmayan bir ısı potansiyeli ile doludur. İşte bu kayıp enerjiyi geri kazanmanın yolu, Termoelektrik Jeneratörlerden (TEG) geçer.
Bu jeneratörlerin sessizce çalışmasını sağlayan sihirli malzeme ise, oda sıcaklığına yakın değerlerde dünyanın en verimli termoelektrik bileşiği olan Bizmut Tellür (Bi2Te3)'dür. Bu yazıda, ısının elektriğe dönüşüm yolculuğunu ve malzeme biliminin bu alandaki rolünü inceliyoruz.
Termoelektrik jeneratörler, hareketli parçası olmayan katı hal cihazlarıdır. Çalışma prensipleri Seebeck Etkisi'ne dayanır: Bir malzemenin iki ucu arasında sıcaklık farkı ($\Delta T$) oluşturursanız, elektronlar sıcak taraftan soğuk tarafa doğru akmaya başlar. Bu akış, elektrik voltajı yaratır.
Ancak her malzeme bu işi verimli yapamaz. Bakır iyi bir iletkendir ama ısıyı da çok hızlı iletir, bu yüzden sıcaklık farkını koruyamaz. İdeal malzeme, elektriği çok iyi iletirken ısıyı çok kötü iletmelidir. İşte Bizmut Tellür tam olarak budur.
Bizmut Tellür, periyodik tablodaki ağır elementlerin (Bizmut ve Tellür) birleşimiyle oluşan bir yarı iletkendir. Özellikle 300K ile 500K (yaklaşık 25°C - 230°C) sıcaklık aralığında rakipsiz bir performansa sahiptir.
Ağır atomları sayesinde, kristal kafes içindeki titreşimler (fononlar) yavaş yayılır. Bu, ısının malzemenin bir ucundan diğerine geçmesini zorlaştırır ve $\Delta T$'nin korunmasını sağlar.
Yarı iletken yapısı, elektronların (N-tipi) veya boşlukların (P-tipi) rahatça hareket etmesine izin verir.
Bir termoelektrik malzemenin verimliliği ZT adı verilen boyutsuz bir sayıyla ölçülür. Bi2Te3, ticari uygulamalarda ZT değeri 1'e en yakın (veya üzerinde) olan nadir malzemelerdendir.
Nanokar gibi ileri malzeme firmalarının odaklandığı nokta, Bi2Te3'ün performansını nanoteknoloji ile artırmaktır. Geleneksel külçe (ingot) üretimi yerine, nano-boyutlu toz metalurjisi teknikleri kullanılmaktadır.
Fonon Saçılması: Bizmut Tellür nano tozları sinterlenerek (preslenerek) katı hale getirildiğinde, malzeme içinde milyarlarca tane sınırı (grain boundary) oluşur. Bu sınırlar, ısıyı taşıyan fononları saçar (engeller) ancak daha küçük olan elektronların geçmesine izin verir.
Sonuç: Isı iletkenliği düşerken elektrik iletkenliği korunur ve ZT değeri artar. Bu da aynı sıcaklık farkından daha fazla elektrik üretmek demektir.
Fabrika bacaları, jeotermal kaynaklar veya büyük veri merkezlerinin soğutma sistemleri. Bu alanlara yerleştirilen Bi2Te3 modülleri, boşa giden ısıyı tekrar şebekeye verilebilecek elektriğe dönüştürür.
İnsan vücudu doğal bir ısı kaynağıdır. Gelecekte akıllı saatler, pil yerine vücut ısımızla çalışan mini Bi2Te3 jeneratörlerle şarj edilebilir.
Süreç tersine çevrilip elektrik verildiğinde, Bi2Te3 bir yüzeyi ısıtırken diğerini dondurur. Bu özellik, lazer diyot soğutucularında, taşınabilir araç buzdolaplarında ve PCR (DNA çoğaltma) cihazlarında kullanılır.
Tellür (Te), dünyada altından bile daha nadir bulunan bir elementtir. Bu durum maliyetleri artırmaktadır. Araştırmacılar, Bi2Te3'ü daha ince filmler halinde kullanarak veya nano-yapılarla verimi artırarak malzeme kullanımını azaltmaya çalışmaktadır.
Bizmut Tellür, enerji krizine tek başına çözüm olmasa da, verimlilik denkleminde kritik bir parçadır. "Enerji hasadı" (Energy Harvesting) kavramının temel taşı olan bu malzeme, nanoteknolojik gelişmelerle birlikte daha ucuz ve daha verimli hale geldikçe, ısınan her yüzey potansiyel bir elektrik santraline dönüşecektir.
