Oda sıcaklığında kullanılan bizmut tellür tabanlı termoelektrik malzemelerin elektrik, ısıl ve mekanik özelliklerinin optimizasyonu

Enerji kaynaklarının tüketimi çevre sorunları ve kaynakların yetersizliği göz önünde bulundurulduğunda önemli bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Çözüm olarak yenilenebilir enerji kaynaklarının teşvik edilmesinin yanı sıra atık ısı yönetimi 20.yüzyılın ortalarından itibaren popülarite kazanmaya başladı. Atık ısı kaynakları ise her yerde mevcuttur. Toplam enerjinin %60'ına denk gelen atık enerji toksik olmayan, hafif ve emisyonsuz termoelektrik malzemeler kullanılarak ısıya dönüştürülebilmektedir. Bu tür malzemelerin verimini artırmanın yolu ise matematiksel olarak 𝑧𝑇 = %&' ( 𝑇 ile ifade edilen zT katsayısını artırmaktan geçer. Bu formülde S Seebeck katsayısını, σ elektrik iletkenliği, κ ısıl iletkenliği ve T sıcaklığı ifade etmektedir. zT'yi etkileyen parametreler birbirleriyle ters orantılı olduğu için optimum verimliliği elde etmek bir hayli zordur. Bizmut Tellür içeren malzemeler aynı enerji seviyesinde birçok band bulundurmaları ve görece düşük ısıl iletkenliklerinden dolayı oda sıcaklığında (323K) yüksek termoelektrik verimliliğe sahiptirler ve soğutma cihazlarında sıklıkla kullanılırlar. Mevcut tez çalışması n- ve p-tipi Bi2Te3 tabanlı yarıiletken malzemelerin taşıyıcı konsantrasyonunun artırılması veya ısıl iletkenliğin düşürülmesi yoluyla yüksek termoelektrik ve mekanik özellikler elde etmeyi amaçlamaktadır. Çalışmalar sonucunda daha önce denenmemiş bir malzeme olan Cu2.9Te2 mineralinin p-tipi (Bi,Sb)2Te3 bileşiğinin elektrik özelliklerini ciddi ölçüde artırırken termal özelliklerine zarar vermediği gözlenmiştir. % 0.1 mol Cu2.9Te2 eklemenin (Bi,Sb)2Te3 bileşiğinin zT'sini 467K'de 1.32'ye çıkarması araştırmanın en çarpıcı sonuçlarındandır. Bu değer ayrıca doplanmamış malzemenin aynı sıcaklıktaki zT değerinden %106 fazladır. Maksimum zT değerindeki kayda değer artışa ek olarak malzemelerin oda sıcaklığındaki zT değerleri ve mekanik özellikleri de iyileştirilmiştir. (Bi,Sb)2Te3 bileşiğine karbon kaplı nanoboron katkılanması da malzeme verimliliğini artırmada benzer etkilere sahiptir. Kütlece %0.5 ve %0.8 cB eklenen malzemelerin zT değerleri sırasıyla 1.21 ve 1.22 olarak hesaplanmıştır ki bu değerler katkılanmamış malzemelere nazaran %19 ve %14 daha yüksektir. Diğer yandan mekanik özelliklerin de %56 ve %14 arttığı görülmüştür. cB katkısı ayrıca n-tipi malzemelerin termoelektrik ve mekanik özelliklerini de sırasıyla %17 ve %75 oranında geliştirmiştir. Sonuç olarak, elde edilen verilerin Bizmut Tellür türevi malzemelerin çevre dostu ve yenilenebilir soğutma sistemlerinde yaygın kullanımına büyük katkı sağlayacağı aşikardır.