Un nuevo material termoeléctrico basado en calcopiritas y plata ha conseguido mejorar la conducción eléctrica mientras reduce la pérdida de energía en forma de calor, una combinación especialmente difícil de alcanzar y clave para desarrollar sistemas de generación eléctrica más eficientes y sostenibles.
El avance supone un paso importante para aprovechar el calor residual de procesos industriales, dispositivos electrónicos o sistemas energéticos y transformarlo directamente en electricidad, uno de los grandes objetivos de la investigación energética actual.
La relevancia del hallazgo reside en que, normalmente, los materiales que conducen mejor la electricidad también transportan más calor, lo que reduce su eficiencia termoeléctrica. En este caso, los investigadores han logrado desacoplar ambos fenómenos físicos para mejorar el rendimiento energético.
«Necesitamos que los electrones se muevan rápido mientras que las vibraciones de la red vayan despacio, pero lo normal es que cuanto más ‘estropeas’ una de esas características, más se ‘estropee’ la otra», explica Federico Serrano, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y líder del estudio.
«Como cada una se mueve a longitud de onda diferente, hemos conseguido afectar a una longitud de onda y no a la otra», añade el científico.
La plata mejora la capacidad del material para generar electricidad
El trabajo, publicado en la revista Small Structures, se centra en las calcopiritas, materiales termoeléctricos con una estructura similar a la del diamante y compuestos habitualmente por sulfuro de hierro y cobre.
En esta investigación, los científicos sustituyeron parte del cobre por plata y comprobaron que la capacidad del material para generar electricidad aumentaba conforme se incrementaba la cantidad de este metal en la aleación.
«Esto nos indica un potencial sustancial para mejorar aún más su rendimiento mediante estrategias de dopaje», continúa Serrano.
El comportamiento observado apunta a nuevas vías para desarrollar materiales termoeléctricos de alta eficiencia capaces de convertir calor en electricidad de forma más efectiva.
Una nanoestructura que reduce la pérdida de calor
Otro de los elementos clave del estudio es el método de fabricación utilizado para crear el material. Los investigadores emplearon un horno de arco para fundir los componentes a muy alta temperatura y después enfriarlos rápidamente.
Ese proceso genera una nanoestructura interna en forma de láminas que dificulta la propagación del calor sin perjudicar el movimiento de los electrones, algo fundamental para mejorar la eficiencia termoeléctrica.
«De esta forma, el material se crea con una nanoestructura en forma de láminas que también contribuye al objetivo de la disminución de la conductividad térmica», describe Serrano.
La reducción de la conductividad térmica alcanzó alrededor de 1,25 vatios, una cifra relevante en este tipo de investigaciones debido a la dificultad de modificar propiedades físicas que normalmente evolucionan en la misma dirección.
«Como estamos trabajando con conceptos contrarios, es muy difícil de conseguir esa disminución de la conductividad y, y por poco que sea, es relevante», incide el investigador.
Un material termoeléctrico sin telurio y más sostenible
El nuevo material también destaca por su componente ambiental. La formulación desarrollada evita el uso de telurio, un metal escaso utilizado en algunos materiales termoeléctricos y cuya extracción presenta dificultades de suministro, además de problemas asociados a toxicidad ambiental y salud.
«La creciente demanda de energía y el grave impacto ambiental de la combustión de combustibles fósiles requieren soluciones energéticas sostenibles, eficientes e innovadoras», señala Serrano.
Según explica el investigador, la conversión directa de calor en electricidad mediante materiales termoeléctricos ofrece una alternativa prometedora para la recuperación de calor residual, el bombeo térmico y sistemas de refrigeración localizada.
«Estos resultados sugieren un potencial significativo de las calcopiritas aleadas con plata para mejorar aún más la eficiencia termoeléctrica mediante el ajuste fino de la concentración de portadores de electrones», concluye.
