Düşük ve orta sıcaklık termoelektrik uygulamalarına yönelik Mg3(Sb,Bi)2 ve MgAgSb malzemelerinin tasarımı

Çevre kirliliği, küresel ısınma ve sera gazı emisyonlarıyla ilgili artan endişelere karşılık, birçok ülke 2050 yılına kadar net sıfır emisyon hedefini gerçekleştirmeye çalışmaktadır. Üretilen enerjinin yaklaşık %60'ının atık ısı olarak kaybedildiği göz önüne alındığında, termoelektrik (TE) malzemeler, bu atık ısının elektriğe dönüştürülmesi için umut verici bir çözüm sunmaktadır. Termoelektrik malzemelerin dönüşüm verimliliği, boyutsuz termoelektrik performans katsayısı zT = S²σT/(κl+κe) ile ifade edilir; burada S, σ, κl, κe ve T sırasıyla Seebeck katsayısı, elektriksel iletkenlik, kafes ısıl iletkenliği, elektronik ısıl iletkenlik ve sıcaklıktır. Yüksek zT değerlerine ulaşmak, bu iletim özelliklerinin birbirine bağlı doğası nedeniyle zorludur. Bu tezin ilk bölümü, düşük sıcaklıklar için Nb katkılı Mg3Sb2-Mg3Bi2 katı çözeltilerinin sentezi, karakterizasyonu ve iletim özelliklerinin değerlendirilmesine odaklanmaktadır. Tane sınırı yapısı fenomeni ve bunun iletim özelliklerine etkileri araştırılmıştır. Tane sınırlarında oluşan yüklü alan bölgesi sonucunda, tane sınırı bölgesindeki iletim bariyeri düşürülmüş ve yük taşıyıcıların saçılması engellenmiştir. Düşük ısıl iletkenliği, düşük direnç değerleri ve yüksek taşıyıcı hareketliliği ile birlikte, özellikle düşük sıcaklıklarda yüksek zT değerlerinin elde edilmesine katkıda bulunmuştur. Orta sıcaklık uygulamaları için, enerji filtreleme etkisinden esinlenerek MgB2'nin Mg3(Sb,Bi)2 sisteminin termoelektrik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Taşıyıcı konsantrasyonunda önemli değişim olmamasına rağmen, kompozit malzemelerde Seebeck katsayısında önemli bir artış gözlemlenmiştir. Bu fenomen, taşıyıcıların seçici olarak saçıldığı enerji filtrelemesinden kaynaklanmaktadır. MgB2 ilavesi, elektronik bileşenin ısıl iletkenliğini azaltarak 673 K'de düşük bir κ değeri elde edilmektedir. Yüksek Seebeck katsayısı düşük ısıl iletkenlikle birlikte, yüksek zT değerlerine katkıda bulunmaktadır. Bu tezin ikinci bölümü, polikristalin MgAg0.97Sbx (x = 1, 0.995, 0.975) malzemelerinin sentezi, karakterizasyonu ve termoelektrik performansına odaklanmaktadır. DSC analizi, yaklaşık 588 K'de (α- ve β-MgAgSb arasında) ve 655 K'de (β- ve γ-MgAgSb arasında) faz geçişlerini göstermektedir. Kristal yapı stabilitesini ve iletim özelliklerini iyileştirmek için β-MgAgSb fazını ortadan kaldırmak amacıyla ek bir ısıl işlem adımı uygulanmıştır. Sb içeriğinin elektronik iletim özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sinterleme ve ısıl işlem parametreleri üzerine yapılan çalışmalar, Mg-Ag yer değiştirme kusurları ve gerilme kaynaklı kusurların termoelektrik davranışı etkilediğini göstermiştir. Yüksek Seebeck katsayıları, yüksek Hall ve ağırlıklı hareketlilikler ile düşük kafes ısıl iletkenliği sonucunda 330 K'de 0.82 zT değeri elde edilmiştir. Ayrıca, çeşitli katkı maddelerinin (Mg konumunda Y ve Nb, Ag konumunda Zn ve Co, Sb konumunda Ge ve Te) etkisi araştırılmıştır.