En ny fysisk effekt er opdaget, som kan få stor betydning for konstruktionen af termoelektriske elementer. Det vil for eksempel sige Peltier-elementer, der skaber en temperaturforskel, når der tilføres en elektrisk strøm. Eller termoelektriske generatorer, som omvendt udnytter Seebeck-effekten og skaber en elektrisk strøm, når der påføres en temperaturforskel.

De sidstnævnte er der store forhåbninger til, fordi der spildes enorme mængder varme i et moderne samfund, for eksempel i transportsektoren. Varme, som måske kunne udnyttes med nye typer termoelektriske generatorer.

Det er et forskerhold fra Berkeley Lab i Californien, som har opdaget, at der imellem den varme og den kolde side af et termoelement opstår elektriske hvirvelstrømme, som giver et energitab. Og hvis man forstår, hvordan hvirvelstrømmene opstår, vil det måske være muligt at designe sig ud af problemet. Resultatet kan blive, at termoelektriske elementer bliver mere energieffektive, end de er nu. Og her er virkelig meget at hente. Effektiviteten ligger typisk nede mellem 5-10 procent.

Kendte fysiklove peger i samme retning
»Termoenergi, altså evnen til at omdanne temperaturforskelle direkte til elektricitet uden tabsgivende mellemstationer, er et fantastisk lovende område inden for udforskningen af nye energikilder. Men den nye effekt, vi har opdaget, er blevet overset af termoenergi-forskerne. Og den kan virkelig påvirke termoenergiens effektivitet,« siger forskningslederen, professor Jinqiao Wu, i en pressemeddelelse.

Deres opdagelse viser dels, at varmegradienten skaber elektriske hvirvler, og dels, at der samtidig kan skabes magnetfelter, hvis plan er vinkelret på både det elektriske hvirvelplan og retningen af varmegradienten.

»Der er fire velkendte effekter, som beskriver en fysisk sammenhæng mellem varme-, elektriske og magnetiske felter. For eksempel Hall-effekten, som beskriver spændingsforskellen over en elektrisk leder i et vinkelret magnetisk felt. Men i alle disse effekter er magnetfeltet årsagen, mens de andre felter er virkninger. Så hvorfor ikke prøve at gøre det omvendt, så varmegradienten og det elektriske felt skaber et magnetfelt?« siger Jinqiao Wu.

En simpel halvleder konstrueres
Forskerne opbyggede derpå en computermodel af en silicium-halvleder, bestående af to lag silicium. Et tyndt, negativt dopet N-type-lag med mange elektroner og et tykkere, positivt dopet P-type-lag med mange elektronhuller, der opfører sig som positivt ladede partikler.

Mellem de to lag opstår nu en elektronisk P-N-overgang. Elektroner fra N-type-laget diffunderer over på den anden side af grænsen til P-laget, mens elektronhuller bevæger sig i den modsatte retning, og det medfører et udtømt lag (depletion layer) i midten, hvor der ingen ladninger er. Derimod er der mange ladninger på hver side af det udtømte område.

Det medfører, at det elektriske felt bliver kraftigst lige ved P-N-overgangen, og det får betydning, når der nu tilføres en varmegradient.

»Der er tre måder at skabe en elektrisk strøm på. Den ene er diffusionsstrøm, som kan sammenlignes med den måde, en duft spreder sig i et lokale, indtil koncentrationen af duft er ensartet overalt. Den anden måde kaldes drift current, og den svarer til, at der er træk i et lokale, som bevæger luften fra den ene side af lokalet til den anden. Det er den strøm, som forårsages af en spændingsforskel, et elektrisk felt. Og endelig er der den tredje slags elektrisk strøm, den termoelektriske, som forårsages af en varmeforskel. Denne strøm driver ladningsbærere fra et varmt område mod et koldere,« siger han.

En hvirvel i hvert halvlederlag
Det interessante opstår, fordi disse strømme har forskellige retninger i et termoelektrisk element. Det elektriske felt starter en strøm fra elementets negative top mod den positive bund, og strømmen bevæger sig imod diffusionsstrømmen, som prøver at fordele ladningsbærerne ligeligt.

Og nu kommer så strømmen fra varmegradienten, som bevæger sig vinkelret på det elektriske felt.

»I disse modstridende vinkelrette kræfter er elektroner og elektronhuller ikke i stand til at bevæge sig lineært. De bliver suget ind i hvirvler,« siger Jinqiao Wu.

Men det viser sig, at hvirvlerne opstår i begge halvlederlag, adskilt af det udtømte lag. I N-type laget bevæger de spredte elektroner, som er tæt på overgangslaget, sig i temperaturgradientens retning, fra varmt mod koldt. Men i N-lagets anden ende, hvor der er mange elektroner, løber de den modsatte vej. Det giver hvirvler.

Det samme foregår spejlvendt i P-laget.

Konklusionen er, at bare ved at sætte varme på et simpelt halvlederelement er det muligt at danne et magnetisk felt vinkelret på de to strømhvirvler. Et magnetfelt, som også er vinkelret på de to siliciumlag.

»Hensigten med forsøget er ikke at bruge magnetfeltet, som er ret svagt, men at forstå, at mange halvleder-komponenter kan konstrueres mere energieffektive, hvis vi gør det rigtigt. For eksempel ved at sikre, at deres elektriske felter har samme retning som deres varmegradienter. Så vil man undgå at skabe elektriske hvirvelstrømme,« siger han.

Næste skridt bliver at udføre praktiske forsøg, der viser, at computermodellen svarer til virkeligheden. Hvis det går som forventet, mener Jinqiao Wu, at også solceller kan være påvirket af den nye effekt. For eksempel hvis solcellerne er ujævnt belyst.

Forskningsresultatet er nu offentliggjort i magasinet Physical Review B.

Dansk ekspert er interesseret
På Risø DTU forskes i øjeblikket i at fremstille termoelektriske elementer med højere effektivitet. Programlederen er Nini Pryds. Han siger om den amerikanske forskning:

»Det er en meget spændende nyhed, og artiklen ses i et anerkendt forskningstidsskrift. Jeg ser frem til de praktiske forsøg, som skal vise, om teorien holder. Jeg vil i hvert fald bruge tid på at sætte mig grundigt ind i amerikanernes forskning.«