Nabíjení mobilního telefonu nebo chytrých hodinek teplem vlastního těla či okolní místnosti by mohlo být blíže realitě, než si myslíme. Tým japonských vědců pod vedením Čihaji Adačiho z Kjúšúské univerzity učinil významný průlom v oblasti termoelektrických technologií. Vyvinuli nový typ zařízení, které je schopno přeměnit okolní teplo na elektrickou energii, a to bez potřeby teplotního rozdílu. Tento objev by mohl zásadně změnit způsob, jakým přistupujeme k napájení drobné elektroniky v každodenním životě.
Tradiční termoelektrická zařízení fungují na principu Seebeckova jevu, který vyžaduje teplotní rozdíl mezi dvěma body. Čím větší je tento rozdíl, tím účinnější je přeměna tepla na elektřinu. To však omezuje jejich použití především na oblasti s vysokými teplotami, jako jsou průmyslové provozy nebo výfukové systémy automobilů. Nové zařízení japonských vědců však dokáže pracovat i při pokojové teplotě, což otevírá zcela nové možnosti využití.
Organická elektronika v hlavní roli
Klíčem k úspěchu je použití organických polovodičů, tedy materiálů na bázi uhlíku. Ty jsou nejen levnější a šetrnější k životnímu prostředí než tradiční anorganické polovodiče, ale mají i unikátní vlastnosti, které umožňují nový způsob generování elektrického proudu.
„Náš přístup kombinuje schopnost separace náboje na rozhraní organických donorů a akceptorů, difúzní schopnost organických polovodičových vrstev a schopnost injekce nosičů náboje na organických heterorozhraních řízenou sladěním Fermiho energetických hladin,“ vysvětluje profesor Adači.
Zjednodušeně řečeno, zařízení využívá speciální rozhraní mezi dvěma typy organických molekul, kde dochází k separaci elektrického náboje. Tato separace je poháněna tepelnou energií z okolí, která je ekvivalentní pouhým několika desítkám milieletronvoltů. Pro představu, jeden elektronvolt odpovídá energii, kterou získá elektron urychlením napětím jednoho voltu. Jde tedy o opravdu malé množství energie.
Od molekul k funkčnímu zařízení
Srdcem nového zařízení jsou dvě organické molekuly: ftalocyanin mědi (CuPc) a jeho fluorovaná verze (F16CuPc). Tyto molekuly tvoří tzv. donor-akceptorové rozhraní, kde dochází k přenosu náboje.
„Když jsme hledali vhodné materiály pro separaci náboje pomocí nízkoenergetického tepla při pokojové teplotě, zjistili jsme, že kombinace CuPc a F16CuPc vykazuje unikátní elektrické vlastnosti,“ říká Šun Kondo, první autor studie.
Vědci postupně optimalizovali strukturu zařízení přidáním dalších vrstev, které pomáhají efektivněji transportovat elektrony a díry (pozitivně nabité „mezery“ v materiálu) k elektrodám. Výsledkem je zařízení, které při pokojové teplotě generuje napětí 384 milivoltu a proudovou hustotu 1,1 mikroampéru na centimetr čtvereční. To odpovídá maximálnímu výkonu 94 nanowattů na centimetr čtvereční.
Cesta k efektivnějšímu využití energie
I když se tyto hodnoty mohou zdát malé, představují významný krok vpřed v oblasti nízkoenergetické elektroniky. Zařízení by mohlo najít uplatnění například v napájení senzorů pro internet věcí nebo v nositelné elektronice.
„Naše zařízení dokáže využít tepelnou energii, která byla dosud považována za příliš nízkou pro praktické využití,“ zdůrazňuje profesor Adači. „To otevírá cestu k efektivnějšímu využití odpadního tepla a přispívá k našemu úsilí o dekarbonizaci společnosti.“
Výzkumníci nyní pracují na dalším vylepšení účinnosti zařízení. Jednou z cest je optimalizace orientace molekul v organických vrstvách a lepší kontrola hranic zrn v polykrystalických tenkých filmech.
Budoucnost bez baterií?
Představte si budoucnost, kde vaše elektronická zařízení budou napájena teplem vašeho těla nebo místnosti, ve které se nacházíte. Žádné nabíječky, žádné kabely, žádné vyhazování vybitých baterií. I když jsme od této vize ještě daleko, výzkum japonských vědců nás k ní o významný krok přiblížil.
Nové termoelektrické zařízení představuje elegantní řešení, jak využít všudypřítomnou, ale dosud opomíjenou formu energie. Je to další příklad toho, jak nás příroda stále překvapuje novými možnostmi, pokud se na ni díváme správným způsobem.
