Kvantové jámy (quantum well) jsou stavy, v nichž se elektrony a elektronové díry volně pohybují ve dvou rozměrech. Ve zbývajícím rozměru to nejde, kvůli omezení vlnové funkce. Ve skutečnosti nejde o nic exotického. Kvantové jámy jsou k vidění třeba v polovodičích, dejme tomu, když je vrstva arsenidu gallitého umístěna mezi dvě vrstvy arsenidu hlinitého anebo vrstva směsi nitridu gallitého a nitridu inditého (InGaN) mezi dvě vrstvy nitridu gallitého. Široce se využívají v laserových diodách (neboli polovodičových laserech), tranzistorech s vysokou mobilitou elektronů (HEMT) anebo třeba v infračervených fotodetektorech.
Nedávno se objevil zajímavý nápad použít kvantové jámy jako sběrače tepelné energie, které pomocí termoelektrického jevu vytvoří z tepla elektřinu. Poslední dobou se objevují různé termoelektrické technologie pro pohánění celé škály malých elektrických spotřebičů. Vývojáři se snaží vyvinout účinné termolektrické sběrače energie, není to ale úplně snadné. Experimentují přitom s různými materiály, například i s kvantovými tečkami (quantum dot), což jsou vlastně nanokrystaly, které mohou mít polovodičové vlastnosti. Kvantové tečky mají ostře ohraničené energetické hladiny a proto jsou zajímavé i pro termoelektrická zařízení.
Bjӧrn Sothmann ze Ženevské univerzity s kolegy navrhuje, že by se v termoelektrických sběračích energie mohly uplatnit právě kvantové jámy. Jsou sice také z polovodičových materiálů, mají ale jinou strukturu než kvantové tečky a také jinak filtrují energii. Badatelé propočítali, že kvantové jámy mohou fungovat jako velmi účinné sběrače energie. Jejich průmyslová výroba by podle všeho byla snazší, než v případě kvantových teček a také by lépe pracovaly při pokojové teplotě.
Sothmann a spol. studovali design sběrače energie, který zahrnují centrální dutinu, spojenou kvantovými jámami se dvěma zásobníky elektronů. V centrální dutině je udržována o něco vyšší teplota než v zásobnících elektronů a kvantové jámy fungují jako filtr, který propustí jen elektrony o určité energii. Takový termoelektrický sběrač energie funguje tak, že s rostoucím rozdílem teplot mezi centrální dutinou a zásobníky elektronů roste i produkce elektrické energie. Sběrač energie s kvantovou jámou dosahuje výkonu kolem 0,18 W na centimetr čtvereční, při rozdílu teplot mezi dutinou a zásobníky 1 kelvin. Je to skoro dvakrát víc, než u sběračů energie založených na kvantových tečkách.
Pokud se vývojářům povede koncept sběračů energie s kvantovými jámami uspokojivě rozpracovat, nabízejí se četné zajímavé aplikace. Velmi rafinovaně a s překrásnou ironií by je bylo možné využít v elektrických obvodech, kde by překlápěly odpadní teplo důvěrně známé každému uživateli elektroniky, zpátky na využitelnou elektřinu. Zabili by tím dvě macaté mouchy jednou ranou – snížili by spotřebu elektřiny a také nároky na chlazení takové elektroniky. Badatelé doufají, že jejich studie povzbudí týmy experimentátorů, aby takové zařízení postavili a pořádně otestovali.
Literatura
Wikipedia (Quantun well, Thermoelectric effect).
Současná situace s novými jadernými elektrárnami v Evropě
Autor: Vladimír Wagner (25.01.2009)
Diskuze:
-
Zdeněk Jindra,2013-11-01 18:43:17
Popsaná účinnost, jak si myslím, značně přesahuje účinnost stoprocentní. Někde se musela vloudit řádová chyba, případně záměna imperiálních a metrických jednotek. 0,18W na čtvereční stopu a 1 Fahrenheit, to už by šlo.
Re:
Vít Výmola,2013-11-01 19:07:08
Dohledával jsem původní vědecký článek a tam je to stejně, tedy centimetry a kelviny.
re: ucinnost
Mad Max3,2013-11-01 19:13:20
Vzhledem k tomu ze neni specifikovana tepelna vodivost clanku, nevidim cestu k vypoctu ucinnosti.
Pokud by bylo zarizeni na tomto principu schopno pracovat s ucinnosti alespon 5% pri teplote do 100 st. C, byl by to i tak skok oproti soucasnym termoelektrickym generatorum.
Netřeba solární panel...
Jan Kment,2013-10-30 14:52:10
postačil by rozdíl dvou prostředí voda-vzduch, voda-země..., vždycky se někde najde rozdíl 5 až 10 stupňů. Kdyby to přímo dělalo elektřinu, byl by to naprostý zázrak!
Re:
Vít Výmola,2013-10-30 16:55:29
Přesně tak! Nebo povrch mobilních zařízení - každý ví, jak se zahřívá při práci třeba mobil.
Pořád si říkám, že v tom musí být nějaký háček. :)
Háčky
Vojtěch Kocián,2013-10-30 19:17:56
Vidím na první pohled dva:
1) Nevíme, jestli půjde rozumně vytvořit struktura dle nákresu vlevo. Pokud by zbývala na vpravo nahoře, bude problém tenkou červenou vrstvou dostat dostatečné množství tepelné energie dovnitř ke kvantovým jamám.
2) Vrstvy s kvantovými jamami budou nejspíš velmi tenké (de Broglieho vlnová délka pro nosiče náboje) a tedy bude problém na nich udržet dostatečný tepelný gradient (i ten jeden kelvin na řekněme mikronové vrstvě je dost). Teploty obou stran se budou vyrovnávat nejen díky termoelektrickému jevu, ale ve značné míře i vedením, což negativně ovlivní účinnost.
Pohlížel bych na to jako na vylepšený termočlánek, zejména pokud jde o rozměry a velikost použitelného teplotního rozdílu. Pokud se to podaří dostat do průmyslu, určitě to uplatnění najde, ale k možnostem rozpoutat velkou revoluci bych si dovolil být skeptický.
Výkon
Vít Výmola,2013-10-29 23:30:56
Ten slovy popsaný vztah mezi výkonem a parametry sběrače se skutečně chová jako P = 0.18 K.cm2 ? Tedy např. pro sběrač 10x10cm a 50K rozdíl by byl výkon 900W? To zní dost neuvěřitelně. Ale i kdyby ten vztah neměl být přímo úměrný teplotnímu rozdílu (nebo vůbec), je ten výkon opravdu slušný. Představte si metrový solární panel s tímhle uvnitř. Samozřejmě, pokud to nemá nějaké jiné technologické limity (třeba maximální velikost 1x1um a podobně). Nebo je to všechno ještě jinak?
50K
Xavier Vomáčka,2013-10-30 09:40:37
IMHO rozdíl 50K na tak tenké vrstvě by byl velice zapeklitý materiálový oříšek.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
