Исследовательская группа под руководством Аруна Маджумдара, Кан-Чжи Фунга и коллег из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (JHU-APL) в США и Samsung Electronics в Южной Корее разработала новую твердотельную систему охлаждения на основе нанотехнологичных тонкопленочных термоэлектрических материалов. Исследование демонстрирует жизнеспособность этой технологии в качестве альтернативы традиционному парокомпрессионному охлаждению со значительными улучшениями в производительности и энергоэффективности.
Проект был обусловлен растущей глобальной потребностью в компактных и эффективных решениях для охлаждения, которые избегают вредных химических хладагентов, таких как ГФУ. Исследователи использовали химическое осаждение из паровой фазы на основе металлоорганических соединений (MOCVD) для изготовления термоэлектрических модулей на основе CHESS (контролируемых иерархически спроектированных сверхрешеточных структур), достигнув гораздо более высоких показателей качества (ZT), чем у объемных термоэлектрических материалов. При комнатной температуре (300 К) отдельные пары P-N достигли значений ZT до 1,24 — примерно на 65% выше, чем у типичных объемных устройств.
Тесты на уровне системы показали, что модуль тонкопленочного термоэлектрического охлаждения (TFTEC) с 77 парами достиг ZT 1,05, что на 70% лучше, чем стандартный объемный модуль с 241 парой. В условиях низкой тепловой нагрузки модуль с 16 парами обеспечивал коэффициент полезного действия (CoP) приблизительно 15 при разнице температур 1,3 °C, используя всего 80 мВт мощности для перемещения 1,2 Вт тепла. Высокий CoP при малых температурных градиентах поддерживает использование в распределенном и портативном охлаждении.
Устройства основаны на тонкопленочных структурах (толщиной ~25 мкм), что обеспечивает гораздо большую плотность мощности охлаждения по сравнению с объемными системами. Масштабируемые конструкции с количеством пар от 16 до 80 были изготовлены с использованием автоматизированных методов сборки из полупроводниковой промышленности. Модульный подход обеспечивает гибкую интеграцию в различные системы охлаждения.
Samsung Electronics внесла вклад в системное моделирование и тестирование с использованием имеющихся в продаже холодильников. Модули TFTEC были встроены непосредственно в систему охлаждения, а производительность оценивалась в рабочих условиях. Исследователи также продемонстрировали долговечность модулей в испытаниях на вибрацию и удары, что предполагает потенциал для применения от бытовой техники до аэрокосмической отрасли.
«Реализация устройств с высоким ZT и высокой производительностью с использованием методов распыления и растворов для создания тонкопленочных термоэлектрических материалов на основе нанотехнологий — это будущие возможности для холодильных приложений большого объема», — отметили авторы в исследовании.
Результаты подчеркивают потенциал твердотельного термоэлектрического охлаждения для замены или дополнения механических систем, особенно в компактных или распределенных приложениях, где надежность, низкое использование материала и точный термоконтроль имеют решающее значение.
