Desenvolvimento de um gerador termoelétrico flexível de filme fino

Abstract

O dilema entre a crise energética e a gestão ambiental tem conduzido a uma maior investigação na procura e desenvolvimento de “tecnologias verdes” que forneçam energia renovável. A forma como os recursos energéticos globais são consumidos e transformados em outras formas de energia é, principalmente, através do mecanismo térmico. A maior parte da energia térmica que é produzida é rejeitada para a atmosfera como calor residual (∼60%). Nesta dissertação desenvolveu-se um gerador termoelétrico (TEG) flexível de filme fino capaz de converter gradientes térmicos em energia elétrica, de forma renovável e limpa. O dispositivo é baseado em junções de filmes finos de telureto de bismuto (Bi2Te3 – tipo-p) e de telureto de antimónio (Sb2Te3 – tipo-n), depositados em substrato de poliimida (Kapton®) de 25 μm de espessura. Os filmes termoelétricos bem como o dispositivo foram fabricados por evaporação térmica. Valores máximos de fator de potência de 2.3×10 - 3 W K- 2 m 1 e 0.9×10- 3 W K-2 m-1 (à temperatura ambiente) foram obtidos para os filmes flexíveis de Bi2Te3 e de Sb2Te3, respetivamente, ambos com 400 nm de espessura e com grãos cristalinos entre 40 a 50 nm de tamanho médio, obtidos por difração de raios-X. Uma melhoria de mais de duas vezes no valor do fator de potência é observada quando comparada com a literatura recente para filmes semelhantes. O dispositivo desenvolvido é inovador na medida em que não foram utilizados contatos metálicos nas junções p - n das pernas termoelétricas. O contato metálico foi somente depositado nos terminais do dispositivo. Recorreu-se ao método da máscara de sombra para o fabrico do gerador termoelétrico, em que cada perna tem 1 mm de largura e 5 mm de comprimento. O dispositivo constituído por 15 pares Bi2Te3 – Sb2Te3 conectados em série consegue gerar uma tensão em circuito aberto de 120 mV e uma potência de saída de 55 nW, respetivamente, para uma diferença de temperatura de 40 K, entre as extremidades frias e quentes do dispositivo. O presente dispositivo apresenta um bom desempenho termoelétrico quando comparado com os da literatura, para os mesmos materiais e processos de fabrico. Além disso, este dispositivo tem a vantagem de suportar elevadas temperaturas no lado quente do dispositivo, devido à ausência de contatos metálicos nas junções p-n. Aqui, o gerador termoelétrico foi desenvolvido como prova de conceito para aplicações termoelétricas planares de elevadas temperaturas (<350 ºC). Os resultados obtidos podem ser de grande interesse para a otimização do design de futuros geradores termoelétricos para aplicações que envolvem superfícies / fontes muito quentes.

The dilemma between the energy crisis and environmental management has led to a greater demand for research and development of "green technologies" that provide renewable energy. The way in which global energy resources are consumed and transformed into other forms of energy is mainly through the thermal mechanism. Most of the thermal energy that’s produced is rejected into the atmosphere as heat waste (∼60%). In this master dissertation a flexible thin-film thermoelectric generator (TEG) capable of converting thermal gradients into electrical energy was developed in a clean and renewable way. The device is based on the junctions of fine bismuth telluride (Bi2Te3 - p- type) and antimony telluride (Sb2Te3 - n- type) films deposited on 25 μm thick polyimide (Kapton®) substrate. The thermoelectric films and the TEG were manufactured by thermal evaporation. The maximum power factor values of 2.3 × 10- 3 W K - 2 m -1 and 0.9 × 10-3 W K-2 m-1 (at room temperature) were obtained for the flexible films of Bi2Te3 and Sb2Te3, respectively, both with 400 nm thickness and with crystalline grains between 40 and 50 nm of average size, obtained by X-ray diffraction. An improvement of more than twice in the power factor value is observed when compared with the recent literature for suchlike films. The device developed is innovative and it wasn’t manufactured with metal contacts at the p - n junctions of the thermoelectric legs. The metal contact was only deposited in the device terminals. The shade mask method was used for the manufacture of the thermoelectric generator, with each leg being 1 mm wide and 5 mm long. The device consists of 15 Bi2Te3 - Sb2Te3 pairs connected in series and it can generate an open circuit voltage of 120 mV and an output power of 55 nW, respectively, for a temperature difference of 40 K between the cold and the hot device ends. The present device exhibits a good thermoelectric performance when compared to the literature for the same materials and manufacturing processes. Furthermore, this device has the advantage of withstanding high temperatures on the hot side of the device, due to the absence of metal contacts at the p-n junctions. The thermoelectric generator was developed as a proof of concept for high temperature (<350 ºC) planar thermoelectric applications. The results obtained may have much interest in improving the future thermoelectric generators design for applications that involve very hot surfaces / sources.