Enerji çevriminde P-tipi Ca3Co4O9 yapısının sıcaklığa bağlı gelişimi ve termoelektrik verimliliği

Termoelektrik malzemeler, sıcak bölgede belirli aktivasyon enerjisi kazanan elektronların soğuk tarafa doğru hareket etmesiyle oluşan akımla elektrik üreten malzemelerdir. Son yıllarda termoelektriklerin yüksek sıcaklıklarda verimliliği yüksek p-tipi ve n-tipi malzeme üretimi üzerine yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Yüksek sıcaklık termoelektrik malzemelerden olan p-tipi Ca3Co4O9 malzemelerin gelecek yıllarda ticarileştirilme ve kullanılma potansiyeli çok yüksektir. Bu çalışmada amaç; Ca3Co4O9 üretimi için nano boyutlarda ve daha iri mikron tane boyutlarında karışımlarla oluşum sıcaklığı, sıcaklığa bağlı fazların stabil sıcaklık aralığı, kristal gelişiminde etkili parametreler ve farklı sıcaklıklarda sinterlenen örneklerin sıcaklığa bağlı termoelektrik verimliliğinin tespit edilmesidir. Bu amaçla, farklı boyutlarda hazırlanan karışımların termal analizleri yapılarak, kritik sıcaklıklar belirlenmiştir. Bu sıcaklıklarda yüksek sıcaklık XRD'si uygulanmış ve sinterlenen örneklerin XRD analizleri yapılarak oluşan fazlar incelenmiştir. Sinterlenen örneklerin mikroyapısal incelemeleri, UV-VIS ölçümleri, termal iletkenlik ve difüzyon ile elektriksel iletkenlik, direnç, Seebeck Katsayısı ve güç faktörü belirlenerek termoelektrik verimliliğin yüksek olduğu sıcaklık aralıkları araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, nano boyutlu karışımlarda Ca3Co4O9 oluşumunun 830°C ve mikron boyutlu karışımlarda 150°C daha yüksek sıcaklıkta 980°C'de gelişmeye başladığı tespit edilmiştir. Ca3Co4O9 kristalinin stabil kalabildiği sıcaklık aralığının nano boyutlu karışımda 135°C, iri boyutlu karışımda 80°C ve her iki karışım arası farkın 55°C olduğu belirlenmiştir. Kullanılan başlangıç hammaddelerin tane boyutlarının kristallerin oluşumunda ve stabil kalabilmelerinde etkili olduğu belirlenmiştir. Ayrıca Ca3Co4O9 fazının stabil kaldığı sıcaklık aralığı küçük boyutlu karışımlarda daha yüksek olmaktadır. Ca3Co4O9 kristalizasyonunda ani soğutma veya stokiometrik sapmaların etkili olmadığı çok uzun sürelerde sinterleme yapılması gerektiği tespit edilmiştir. Sinterleme sonrası örneklerin 350nm üzerindeki dalga boyunu emdiği ve enerji band aralığının 2.2eV ile 2.4eV aralığında olduğu belirlenmiştir. 750-1060°C arasında ve 1200°C üzerinde sinterlenen örneklerde termoelektrik verim en iyi değerlere ulaşmıştır. Bu sıcaklık aralıklarında sintelenen ve tane boyutu küçük başlangıç hammaddeleri kullanıldığında daha yüksek termoelektrik verim alınabileceği de ortaya koyulmuştur. Ayrıca üretilen malzemenin manyetik özelliğinin paramanyetik olduğu ve artan sinterleme sıcaklığıyla diamanyetik olma eğiliminde olduğu tespit edilmiştir. Birim manyetik alanda yüksek dipol moment davranışı gösteren yüksek manyetik hassasiyetin 980-1020°C arası ve 1200°C üzerindeki sıcaklıklarda sinterlenen malzemelerde olacağı ortaya koyulmuştur. Anahtar Kelimeler: Enerji, Termoelektrik, Ca3Co4O9, Sinterleme, Termoelektrik verim.