Dal calore all’energia elettrica grazie alle Perovskite

Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology riportano in un nuovo studio che le perovskiti inverse, rispettose dell’ambiente e con un’elevata efficienza di conversione energetica, hanno un potenziale di applicazione pratica come materiali termoelettrici (TEM). Quindi la perovskite, normalmente utilizzata per la produzione di film fotovoltaici. può essere utilizzate, in alcune sue forme, anche per generare elettricità dall’energia termica.

Un materiale del genere permetterebbe di utilizzare l’energia termica per produrre elettricità senza passare per sistemi complicati di conversione come le turbine a vapore. Il calore di risulta degli impianti di riscaldamento termici, anche domestici, potrebbe essere covertito facilmente in energia elettrica.

Nel recente studio pubblicato su Advanced Science, i ricercatori hanno presentato delle GST ad alto ZT a base di perovskite “inversa” con formula chimica Ba3BO, dove B si riferisce al silicio (Si) e al germanio (Ge).
Affrontando le limitazioni tipiche dei GST, come l’insufficiente efficienza di conversione energetica e la tossicità ambientale dovuta agli elementi pesanti, i nuovi GST rappresentano un’alternativa adeguata ai GST basati su elementi tossici con proprietà termoelettriche migliori rispetto ai GST ecologici convenzionali.

I materiali termoelettrici (GST) in grado di convertire l’energia termica in energia elettrica e viceversa sono diventati una parte essenziale del nostro mondo, che necessita di migliori sistemi di raccolta dell’energia di scarto e di sistemi di raffreddamento per i gadget elettronici.

L’efficienza di conversione dell’energia dei GST dipende da una cifra di merito adimensionale (ZT), che è il prodotto di due diversi fattori: l’inverso della conduttività termica (k) e il fattore di potenza (PF).

Un GST ad alte prestazioni ha uno ZT elevato se possiede un k basso e un PF elevato. Nel corso degli anni, gli scienziati hanno sviluppato diversi GST ad alte prestazioni a base di calcogenuri di metalli pesanti, come Bi2Te3 e PbTe, che soddisfano questi criteri.

Pur essendo ideali per la conversione energetica, questi materiali erano tossici per l’ambiente e per la salute degli organismi viventi: contenevano infatti elementi pesanti tossici, come il piombo (Pb) e il tellurio (Te), che ne limitavano le applicazioni pratiche.

D’altra parte, sebbene i GST a base di ossidi, come lo SrTiO3, presentino diversi vantaggi, come l’atossicità e l’abbondanza di risorse naturali, il loro ZT è stato limitato a causa del loro elevato k.

Per risolvere questo problema, un team di ricerca guidato dal Professore Associato Takayoshi Katase del Tokyo Institute of Technology ha esplorato dei GST efficienti e privi di elementi tossici, quindi utilizzabili nella vita comune senza particolari problemi. 

Il Dr. Katase, spiegando le proprietà dei materiali, ha spiegato: “A differenza delle perovskiti normali, come la SrTiO3, le posizioni dei siti dei cationi e degli anioni sono invertite nelle perovskiti inverse Ba3BO. Pertanto, contengono una grande quantità di elemento pesante, il Ba, e la loro struttura cristallina è formata da una fiammella morbida costituita da deboli legami O-Ba. Queste caratteristiche realizzano il basso k delle perovskiti inverse“.

Il team di ricerca ha chiarito che i policristalli bulk sintetizzati di Ba3BO possiedono un k estremamente basso, pari a 1,0-0,4 W/mK a una T di 300-600 K, inferiore a quello dei bulbi di Bi2Te3 e PbTe.
Di conseguenza, i bulbi di Ba3BO presentano uno ZT piuttosto elevato, pari a 0,16-0,84 a T = 300-623 K. Oltre ai promettenti risultati sperimentali, il team ha effettuato calcoli teorici che hanno previsto un potenziale ZT massimo di 2,14 per Ba3SiO e di 1,21 per Ba3GeO a T = 600 K ottimizzando la concentrazione di fori.

Lo ZT massimo di questi GST non tossici è molto più alto di quello di altri GST ecologici e paragonabile a quello dei GST tossici a elementi pesanti nello stesso intervallo di temperatura.

Inoltre, il team ha chiarito che l’elevato ZT del Ba3BO è dovuto non solo al suo basso k ma anche al suo elevato PF: lo ione B, che di solito si comporta come un catione con carica positiva, nel Ba3BO è un anione con carica negativa. Gli anioni B sono responsabili del trasporto del portatore, che raggiunge un elevato PF.

In sintesi, questo studio convalida il potenziale del Ba3BO di nuova concezione come alternativa ad alte prestazioni ed ecologica ai tradizionali GST tossici e basati su elementi pesanti. I risultati stabiliscono che le perovskiti inverse sono un’opzione promettente per lo sviluppo di GST avanzati rispettosi dell’ambiente.

A questo proposito, il Dr. Katase ha concluso: “Crediamo che la nostra intuizione unica nella progettazione di materiali ad alto ZT senza l’utilizzo di elementi tossici abbia un forte impatto sulle comunità della scienza dei materiali e della chimica, oltre che sugli innovatori che cercano di espandere l’orizzonte delle applicazioni dei materiali termoelettrici al di là dei laboratori, nella vita di tutti i giorni”.