En la actualidad, estamos atravesando una crisis energética sin precedentes. Por otro lado, el cambio climático y la necesidad de reducir las emisiones de CO2 nos obliga a buscar fuentes de energía alternativas.
Dentro de estas pérdidas de energía están las perdidas caloríficas, ya que la mayoría de las energías generadas por conversión se pierde en parte en energía exotérmica. Por ello, gran parte de la energía generada se pierde en forma de calor, por tanto, hay que seguir avanzando en investigaciones que puedan aprovechar esta perdida calorífica y devolverlo a energía eléctrica.

Por ello, una de las ramas de investigación de interés es la conversión del calor en electricidad.
Los módulos termoeléctricos han ganado interés en los últimos años debido a su gran potencial para generar energía eléctrica a partir de la diferencia de temperatura en dispositivos y portátiles. Los termoeléctricos son un tipo de dispositivo que convierte la energía térmica en energía eléctrica utilizando el efecto Seebeck.
Estos dispositivos se basan en las propiedades de ciertos materiales que, sometidos a un rango de temperaturas, transforman el calor en un voltaje eléctrico. Por el contrario, cuando se les aplica un voltaje, se vuelven más calientes en un lado y más fríos en el otro. Los electrones se mueven del extremo caliente del material al extremo frío, creando electrodos positivos y negativos y con ello el voltaje eléctrico. Este efecto, conocido como Peltier–Seebeck, es totalmente reversible y es una propiedad que sólo está presente en un rango limitado de materiales.

Los principales materiales que constituyen los termoeléctricos son los semiconductores de tipo P y N. El material semiconductor más utilizado en los TEs es el Telururo de Bismuto, teluro de antimonio y Silicio-Germanio, dopado por exceso (tipo N) o dopado por defecto (tipo P). El problema fundamental para crear materiales termoeléctricos eficientes es que necesitan ser muy buenos transmitiendo la electricidad, pero no el calor.
En su gran mayoría, los materiales son de aleaciones metálicas. Ciertas aleaciones metálicas, como los compuestos de silicio-germanio, también se pueden utilizar para hacer dispositivos termoeléctricos. Los mayores rendimientos que hay actualmente son las estructuras multicapa de crecimiento de cristales en un sustrato cristalino (epitaxial multilayer structures) basados en Sb2Te3/Bi2Te3, “Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit” (R. Venkatasubramanian et al, 2001), y super-retículas de puntos cuánticos (quantum dot superlattices) basados en inclusiones de PbTeSe sobre una matriz de PbTe, ” Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices” (T. C. Harman et al, 2002).
Por otro lado, a nivel de estructuras encontramos diferentes tipos de dispositivos termoeléctricos, por ejemplo, las celdas de estado sólido. Este módulo debe contar principalmente con dispositivos de disipación de calor, por ejemplo, radiadores, superficies extendidas. Otro tipo de celdas, en desarrollo, son los dispositivos híbridos (parte de ellos son sólidos y otra es impresa). Actualmente, se están estudiando posibles hibridaciones para poder tener una mejor optimización a la superficie que se tiene que aplicar, tanto cilíndrica como plana.

Un ejemplo puede ser el siguiente artículo, “Enhanced Electrical Transport Properties via Defect Control for Screen-Printed Bi2Te3 Films over a Wide Temperature Range” (Jingjing Feng et al., 2020). En este escrito habla de los dispositivos termoeléctricos (TE) de capa fina serigrafiados (TE) que están todavía en sus inicios, principalmente debido al bajo rendimiento TE serigrafiados y, sobre todo, a las pobres propiedades de transporte eléctrico.

Se diseñan y preparan un serigrafiado de Bi2Te3 de alto rendimiento mediante la introducción de nanosoldadura excesiva basada de Te (Te-NS) para realizar simultáneamente la construcción del canal de conducción y el control de los defectos. Por un lado, la migración de portadores promovida hace que la conductividad eléctrica conductividad eléctrica se multiplique por 7, con un factor de potencia factor de potencia de 4,65 W* cm -1 *K -2. Por otro lado, el mecanismo de formación de la lámina Bi2Te3 serigrafiada tras la introducción de Te-NS y la conducción bipolar, se reduce por el aumento de la generación bipolar de Bi2Te3 o una mayor supresión, lo que da lugar a un aplazamiento de la temperatura y un aumento del coeficiente Seebeck al máximo.
Por lo tanto, se consigue un gran factor de potencia de ingeniería con una excelente linealidad de temperatura, lo que indica una posibilidad de aplicación de la serigrafía. Se demuestra una tensión de circuito abierto de 11,34 mV y una potencia de salida máxima de 27,1 W a un a un gradiente de temperatura de 105 K en un amplio rango de temperaturas de 303 a 478 K. Este estudio proporciona una base teórica y práctica para la mejora del rendimiento de las lámparas y dispositivos TE serigrafiados.

Ahora bien, la mayoría de los materiales empleados en la actualidad son materiales altamente contaminantes; es por ello que se investigan soluciones alternativas con materiales menos contaminantes, con posibilidad de poder reciclarse y que puedan llegar a tener una eficiencia cercana a aquellos materiales de mayor rendimiento (el coeficiente Seebeck del Teluro de Bismuto es de 300 μV/K).
Como alternativa a los materiales empleados tradicionalmente podemos encontrar líneas de investigación y primeros desarrollos basados en los polímeros conductores como PEDOT: PSS, un polímero conductor intrínseco que ha despertado mucha curiosidad desde el descubrimiento de sus funciones termoeléctricas (TE); nanomateriales de base carbonosa como es el caso de los nanotubos de carbono (CNT) y nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT); aleaciones de metales y compuestos orgánicos.
En el caso de los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) de tipo n que hemos comentado anteriormente, el siguiente artículo “Dual-Type Flexible-Film Thermoelectric Generators Using All-Carbon Nanotube Films” (Ryota Konagayay et al, 2023), habla del aumento del rendimiento a partir de este material, el DFTEG ha alcanzado un voltaje de salida de 40 mV y una potencia máxima de 891nW para una diferencia de temperatura de 25 K entre el lado frío y el lado cliente del módulo. Rendimientos bajos en comparación a los obtenidos a los materiales tradicionales Te, Bi o Ge; pero es un resultado prometedor para el desarrollo de módulos termoeléctricos con materiales no contaminantes.

Ilustración 4: Diagrama esquemático del proceso de fabricación de DFTEG
Fuente: Ryota Konagayay y Masayuki Takashiri, 2023, “Dual-Type Flexible-Film Thermoelectric Generators Using All-Carbon Nanotube Films

Por todo ello, podemos afirmar que los dispositivos termoeléctricos de nueva generación (materiales más sostenibles, flexibles, ligeros, etc..) tienen muchas aplicaciones potenciales para el autoabastecimiento. En la electrónica, estos dispositivos podrían usarse para alimentar dispositivos portátiles, como relojes inteligentes y dispositivos de seguimiento de la actividad física. En campo de la sensórica, estos dispositivos podrían usarse para alimentar sensores de temperatura, presión y húmeda.
A medida que la tecnología de dispositivos termoeléctricos continúa avanzando, se espera que se desarrollen nuevos materiales y métodos de fabricación para mejorar la eficiencia y la escalabilidad de estos dispositivos, y pudiendo encontrar soluciones para una mayor eficiencia y aprovechamiento de la energía.

AUTOR: Vicente Milán, investigador de Ingeniería en AIMPLAS