Gümüş selenür tabanlı bükülebilir jeneratör

Küresel olarak karbon nötr hedeflere ulaşmaya çalışırken, enerji verimliliği her zamankinden daha önemli bir mühendislik sorunu haline geliyor. Veri merkezleri, araba egzoz sistemleri ve endüstriyel tesislerdeki sıcak borulardan kaynaklanan atık ısıyı doğrudan elektrik üretimine dönüştürebilseydik ne olurdu? Bu noktada, Seebeck etkisi (iki farklı metal veya yarı iletken malzemenin birleşme noktaları arasında bir sıcaklık farkı olduğunda, bu maddeler arasında elektriksel potansiyel fark (voltaj) oluşması olayıdır) ile ısı enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren termoelektrik (TE) malzemeler devreye giriyor.^1,2

Kore Kimyasal Teknoloji Araştırma Enstitüsü (KRICT) araştırmacıları, gümüş selenür (Ag₂Se) kullanarak geliştirdikleri bükülebilir ve yüksek performanslı jeneratörlerle bu alanda önemli bir paradigma değişimi yaratıyor. Günümüzde bizmut tellür (Bi₂Te₃) tabanlı termoelektrik malzemeler en yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, bu malzemeler için tellür gibi nadir ve pahalı bileşenler gereklidir. Daha da önemlisi, geleneksel üretim yöntemlerinin, kıvılcım plazma sinterleme (SPS) veya bölge eritme (zone melting) gibi süreçlerin çok yüksek basınçlar (>40 MPa) ve çok yüksek sıcaklıklar (1000 °C’ye kadar) gerekir. Bu durum hem üretim sürecini zorlaştırır hem de maliyetleri yükseltir.²

Araştırmacılar, bu sorunları çözmek için Ag₂Se tozlarına belirli oranlarda selenyum (Se) ekledi. Tavlama işlemi sırasında, eklenen selenyum eriyerek sıvı faza geçer. Bu, sadece yaklaşık 350 °C gibi ılımlı bir sıcaklıkta ve ortam basıncında gerçekleşir. Süper iyonik gümüş (Ag⁺) iyonlarının difüzyonu, Ag2Se tanecikleri arasındaki mikro boşluklara sıvı selenyum sızmasıyla hızlanır. Sıvı faz destekli bu tane büyümesi, malzemenin gözeneklerini önemli ölçüde azaltıyor ve elektriksel iletkenliği önemli ölçüde artırıyor.²

Malzemenin mekanik dayanımı da termoelektrik özellikleri kadar dikkat çekicidir. Sıvı selenyum, malzemenin içindeki boşlukları doldurarak yük dağılımını iyileştirir ve çatlak ilerleyişini durdurarak malzemeye bükülebilir ve sağlam bir form verir. Üretilen malzemenin gerilme-şekil değiştirme (stress-strain) testlerinde, fazladan selenyum eklenen yapıların mekanik sınırları zorladığı açıkça görülüyor. Saf Ag₂Se malzemesinin basınç dayanımı 46,8 MPa seviyelerindeyken, optimize edilmiş selenyum katkılı (Ag₂Se1.2) malzemenin basınç dayanımı 2,5 kat artıyor ve 120 MPa’nın üzerine çıkıyor. Benzer şekilde, Young modülü 10,7 GPa’dan 30 GPa’ya yükselerek bu sürecin malzemenin üzerindeki esnekliğini ve sertliğini nasıl etkilediğini bize gösteriyor²

Bu malzemenin mühendislik açısından en büyük avantajı, tasarıma sağladığı özgürlüktür. Geleneksel düz (planar) termoelektrik jeneratörler, çoğu ısı kaynağı olan yuvarlak borulara uygun değildir. Araya konulan ısı değiştiriciler yüzünden termal enerji, konvektif yayılma yoluyla havaya karışarak sistemden uzaklaşır. Araştırmacılar, bu bükülebilir Ag2Se malzemeler kullanılarak geliştirdikleri silindirik termoelektrik jeneratör (TEG), boruyu tamamen sararak termal arayüz direncini sıfıra indiriyor.²

Bilgisayar destekli Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simülasyonları ve laboratuvar testleri, silindirik tasarımın düz tasarıma kıyasla sıcaklık farkında (ΔT) yaklaşık 5,7 kat daha verimli olduğunu göstermekte. Sisteme 20 W ısıtma gücü uygulandığında düz tasarım sadece 6,17 mV elektrik üretirken, boruyu saran silindirik jeneratör 26,18 mV gerilim üretti. Böylesine büyük bir verim farkı (4 kat) tasarımın üstün termoelektrik verimliliğini açıkça ortaya koymaktadır.

Geliştirilen bu yeni nesil termoelektrik malzemeler; harici şarja ihtiyaç duymayan giyilebilir cihazlarda, endüstriyel tesislerde ve sürdürülebilir/yeşil kampüslerde enerji geri kazanımının temel bileşenlerinden biri olmaya adaydır.^1,2 Düşük üretim maliyetlerinin yanı sıra yüksek mekanik dayanım ve esneklik sunmaları, bu malzemelerin pratik mühendislik uygulamalarındaki kullanım alanlarını genişletmektedir.²

Kaynaklar

1. Ding, Y., Qiu, Y., Cai, K., Yao, Q., Chen, S., Chen, L., & He, J. (2019). High performance n-type Ag2Se film on nylon membrane for flexible thermoelectric power generator. Nature communications, 10(1), 841.
2. Jeong, M. H., Park, B., Kim, J., Han, M., & Kang, Y. H. (2026). Facile and scalable strategy for fabricating dense bulk Ag2Se as a high-performance thermoelectric material. Advanced Composites and Hybrid Materials, 9(1), 77.