Un equipo del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha desarrollado un método sencillo y escalable para fabricar películas delgadas de seleniuro de plata y seleniuro de cobre capaces de transformar una diferencia de temperatura en electricidad con elevadas prestaciones a temperatura ambiente.
El avance puede contribuir al desarrollo de nuevas tecnologías para aprovechar el calor que actualmente se desperdicia en procesos industriales, equipos domésticos y dispositivos electrónicos. El método utiliza la electrodeposición, una técnica electroquímica que permite fabricar las películas a partir de disoluciones acuosas y sin necesidad de recurrir a cámaras de vacío ni a tratamientos a altas temperaturas.
El trabajo, publicado en la revista Materials Today Energy, demuestra que un control preciso de las condiciones de electrodeposición permite modificar la composición, la estructura cristalina y la microestructura de los materiales y mejorar con ello su comportamiento termoeléctrico.
Cómo convertir el calor residual en electricidad
Los materiales termoeléctricos tienen la capacidad de generar electricidad cuando existe una diferencia de temperatura entre sus extremos. Este fenómeno, conocido como efecto Seebeck, permite transformar directamente parte de la energía térmica en energía eléctrica.
La tecnología resulta especialmente interesante para recuperar energía que normalmente se pierde en forma de calor. Entre sus posibles aplicaciones se encuentran la recuperación de calor residual industrial, el aprovechamiento de calor en equipos y dispositivos domésticos y la alimentación de pequeños sistemas electrónicos que necesitan funcionar de manera autónoma.
El problema es que fabricar materiales termoeléctricos con buenas prestaciones puede requerir procesos complejos, temperaturas elevadas o equipos especializados. El método desarrollado por el equipo del CSIC plantea una alternativa basada en un proceso que puede realizarse a temperatura ambiente y mediante disoluciones acuosas.
Una fabricación más sencilla y escalable
La principal ventaja del procedimiento está precisamente en su sencillez. Las películas de seleniuro de plata y seleniuro de cobre se obtienen mediante electrodeposición a temperatura ambiente, evitando algunas de las condiciones de fabricación más exigentes utilizadas en otras técnicas.
“La electrodeposición es una técnica sencilla, que se realiza con equipos relativamente simples y pequeñas cantidades de reactivos. Además, podemos controlar la composición, su estructura cristalina y la morfología de los materiales modificando las condiciones del proceso. Estas características hacen que la electrodeposición sea una alternativa con un importante potencial para avanzar hacia una fabricación más escalable fácilmente asimilada por la industria”, explica Cristina V. Manzano, investigadora del CSIC en el Instituto de Micro y Nanoelectrónica (IMN).
El control de las condiciones durante la electrodeposición permite modificar las características del material y, en consecuencia, sus propiedades para la conversión de calor en electricidad. Esta posibilidad de ajustar el material durante su fabricación es uno de los aspectos que pueden facilitar una futura aplicación a mayor escala.
El seleniuro de cobre quintuplica los resultados anteriores
El equipo no solo ha desarrollado el procedimiento de fabricación, sino que también ha conseguido mejorar notablemente las prestaciones termoeléctricas de los materiales obtenidos.
En el caso del seleniuro de plata, el factor de potencia alcanzado sitúa al material entre los que presentan un mayor rendimiento termoeléctrico de tipo n registrado a temperatura ambiente.
Los resultados obtenidos con el seleniuro de cobre son especialmente relevantes: sus prestaciones quintuplican los valores previamente registrados mediante electrodeposición.
El factor de potencia es uno de los parámetros utilizados para evaluar el comportamiento de un material termoeléctrico y permite valorar su capacidad para convertir una diferencia de temperatura en electricidad.
Los materiales mantienen sus propiedades durante meses
Otro de los aspectos estudiados por los investigadores ha sido la estabilidad y reproducibilidad del método. Para comprobar que los resultados no eran fruto de una fabricación puntual, el equipo realizó diferentes series de muestras a lo largo de un año. Los resultados se mantuvieron estables dentro del margen de error experimental.
Además, después de ocho meses y 40 ciclos de variación térmica, las propiedades de los materiales apenas experimentaron cambios. La conductividad eléctrica varió solo un 2 %, mientras que el coeficiente Seebeck lo hizo un 6 %. Estos resultados son relevantes porque la estabilidad frente a ciclos térmicos es un aspecto importante para cualquier futura aplicación de los materiales en sistemas que tengan que trabajar de manera continuada.
“El resultado demuestra el potencial de estos materiales para aplicaciones de aprovechamiento de calor residual, aunque todavía es necesario optimizar la arquitectura de los dispositivos y estudiar en mayor profundidad el transporte térmico direccional”, señala Marisol Martín, investigadora del CSIC en el Instituto de Micro y Nanoelectrónica.
Sensores autónomos y dispositivos portátiles
Los investigadores apuntan a diferentes aplicaciones futuras para esta tecnología. Una de ellas es la fabricación de generadores termoeléctricos compactos capaces de alimentar sensores autónomos, una posibilidad especialmente interesante para dispositivos del internet de las cosas.
También podrían emplearse para recuperar energía procedente del calor residual de procesos industriales o integrarse en dispositivos electrónicos portátiles y tecnologías wearable.
En estos casos, el objetivo sería aprovechar pequeñas diferencias de temperatura que normalmente no se utilizan para generar electricidad y convertirlas directamente en energía útil para alimentar dispositivos de bajo consumo.
El desarrollo todavía requiere optimizar la arquitectura de los dispositivos y comprender mejor algunos aspectos del transporte térmico, pero los resultados obtenidos con la electrodeposición abren una vía para fabricar materiales termoeléctricos de altas prestaciones mediante un proceso sencillo, económico y potencialmente escalable.
