La termoelettricità è una classe di fenomeni fisici che permette sia la conversione del calore in elettricità sia l'estrazione di calore (raffreddamento) – in entrambi i casi senza l'uso di parti in movimento. Conseguentemente, i generatori termoelettrici sono adatti, specialmente quando miniaturizzati, per raccogliere il calore a bassa temperatura e renderlo disponibile come energia elettrica (ad esempio nelle reti di sensori o per dispositivi portatili). La nostra attività di ricerca si concentra sia sui materiali sia sullo sviluppo di dispositivi finalizzati alla generazione di potenza e al raffreddamento in specifici contesti applicativi.

È stato dimostrato come lo scattering selettivo in energia dei portatori di carica offra opportunità per migliorare il fattore di potenza termoelettrica di film sottili di silicio nanocristallino fortemente drogati con boro fino ad ottenere fattori di potenza maggiori di 40 mW/mK². La ricerca in corso mira alla stabilizzazione dei film sottili di tipo p e allo sviluppo di film di silicio nanocristallino di tipo n ad alti fattori di potenza.

A causa della sua elevata conducibilità termica, il silicio monocristallino non è adatto di per sé per applicazioni termoelettriche. La nanostrutturazione offre tuttavia strumenti per ridurne la conducibilità termica senza alterare la conducibilitò elettrica. La ricerca è incentrata sull'uso del Metal-Assisted Chemical Etching (MaCE) per ottenere nanofili di silicio (SiNWs). Il processo sviluppato, oltre a consentire di realizzare contatti elettrici localizzati alle estremità dei nanofili di silicio, apre la possibilità di realizzare aggregati di SiNW autosupportati che possono essere prospetticamente impiegati come gambe termoelettriche in dispositivi termoelettrici massivi, idonei alla realizzazione sia di raffreddatori sia di generatori termoelettrici.

Le celle fotovoltaiche convertono solo una frazione dello spettro solare, rilasciando una quantità significativa di energia sotto forma di calore. Pertanto, l’efficienza di conversione solare può essere incrementata attraverso l’accoppiamento tra celle fotovoltaiche e generatori termoelettrici. Oltre alla maggiore resa energetica, i sistemi di conversione ibrida soddisfano anche criteri di convenienza economica, necessaria per l’impiego pratico dei generatori ibridiz fotovoltaico-termoelettrici. L’attività di ricerca si focalizza principalmente sull'accoppiamento diretto di generatori termoelettrici basati su tellururo di bismuto (Bi₂Te₃) con celle fotovoltaiche a base di perovskiti.

Le ridotte efficienze di conversione termoelettrica sono principalmente dovute alla difficoltà di disaccoppiare conducibilità termica ed elettrica nei materiali. La nanotecnologia ha mostrato modi innovativi per raggiungere tale obiettivo. Conducibilità termica ed elettrica nei sistemi termoelettrici massivi possono essere tuttavia disaccoppiate anche operando i generatori termoelettrici in modalità non stazionarie. L’attività di ricerca in corso è intesa ad esplorare come l'alimentazione di un generatore termoelettrico convenzionale con flussi di calore modulati nel tempo possa aumentarne l’efficienza di conversione a massima potenza.

Prof. Dario Narducci

Laboratorio di Misure elettriche e spettroscopiche – Edificio U5, Piano 1, locale 1032-1034