بهبود بازده تبدیل انرژی حالت جامد با استفاده از نانوساختارهای ترموالکتریک

فناوری های تبدیل انرژی حالت جامد مانند سرماسازی و تولید توان ترموالکتریک، نیازمند موادی است که دارای رسانایی حرارتی پایین و در عین حال رسانایی الکتریکی و ضریب سیبک بالا باشند. با اینکه نیمه رساناها بهترین مواد ترموالکتریک هستند، ولی در نیمه رساناهای معمولی به ندرت این ویژگی ها یافت می شود. نانوساختارها از قبیل ابرشبکه ها، تارهای کوانتومی و نقطه های کوانتومی روش های جدیدی را برای بهبود بازده تبدیل انرژی حالت جامد از طریق مهندسی انتقال الکترون و فونون فراهم می کنند. در این تحقیق، یک ابر شبکۀ نیمه رسانا متشکل از نانولایه های متناوب سیلیکون و ژرمانیوم بررسی شده است. انتقال حرارت رسانایی در این نانوساختار با توجه به اثرات مقیاس نانو، از قانون فوریه پیروی نمی کند. معادلۀ انتقال تشعشعی فونون ها به صورت عددی حل شده است و در نهایت کاهش ضریب رسانایی حرارتی نسبت به ساختار مشابه با ابعاد معمولی نشان داده شده است. نتایج نشان می دهد که با ثابت نگه داشتن نسبت ضخامت لایه ها، هرچه ضخامت لایه ها در ابرشبکه کوچک تر شود، پرش دما در فصول مشترک بیشتر شده و در نتیجه ضریب رسانایی حرارتی موثر کاهش بیشتری می یابد که در نهایت به بهبود خواص ترموالکتریک می انجامد. نتایج نشان می دهد که ضریب رسانایی حرارتی موثر تابعی از دانسیتۀ مرزهای مشترک بر واحد طول ابرشبکه است.