Sviluppo di nuovi strumenti, approcci e sistemi basati sulle nanotecnologie per la termoelettricità e la raccolta di energia

Global success depends on energy budget generation, harvesting, and management. Electricity is the most influential modern energy, with rapidly rising market uses, mostly generated by combustion-based technologies. Such technologies and pervasive consumer electronics generate a lot of wasted heat and 'low grade heat'—heat that is too low, inhomogeneous, discontinuous, or impossible to recover by conventional methods. Nanomaterials and nanotechnology are making thermoelectric generators (TEGs), which convert heat-to-electricity without moving parts, more appealing. In addition, there is strong political commitment to energy recovery and renewed attention on space exploration, a TEG-related industry. This study examines innovative nanostructured materials' intermediate and high-temperature thermoelectric response. The findings shed knowledge on doping mechanisms, nanostructuring, and thermoelectric performance and advance the development of high-efficiency energy conversion materials. On the material side, the studies reported in this thesis include Al doped ZnO, Fe doped ZnSe, Cu doped ZnSe, Se doped Bi2Te3 and Mg doped SnO, and focus on the impact of doping and nanostructuring on the thermoelectric properties. Systematic analysis of the influence of different temperature conditions on thermoelectric properties is conducted. Two approaches for the preparation of both nanoparticles and thin films of the materials were used: hydrothermal synthesis and magnetron sputtering. On the side of characterization methodologies and techniques, XRD was used to perform structural characterisation. Surface topography was investigated using AFM. Morphology of the nanocrystals was examined by SEM and elemental composition analysis was conducted by EDX. The transport properties were measured by the 4-probe method in the temperature range 25–350°C. The thesis is organized as follows. Chapters 1 to 3 covers the topics mentioned above, namely the introduction to nanoscale thermoelectricity, thermoelectric nanostructures materials and methods and techniques. Chapter 4 studies the TE properties of Al-doped ZnO (AZO) thin films, emphasising the influence of different Al doping concentrations (2–8 at.%) on electrical and thermoelectric transport characteristics. The AZO thin films, measuring 300 nm in thickness, were deposited via RF magnetron sputtering. Structural and morphological characterisations indicate that increased doping levels result in improved electrical conductivity, with resistivity falling below 2 × 10–3 Ohm˖cm at 3 at.% Al. The Seebeck coefficient was seen to vary between 22 and 33 μV/K, reaching a peak at 8 at.% doping. In chapter 5, we study the impact of Fe2+ doping on the TE characteristics of ZnSe nanoparticles produced by the hydrothermal technique. SEM investigation demonstrated agglomerates of nanocrystallites of varying sizes at all doping levels, whereas XRD and Raman spectroscopy validated the cubic structure of the samples. Electrical transport characteristics were improved with enhanced Fe doping concentrations and the power factor was increased from 13 µWm–1K–2 to 120 µWm–1K–2, with a maximum power factor of 9 × 10–3 Wm–1K–2 at 150°C. Chapter 6 focus on the details study of the influence of copper doping on the TE characteristics of ZnSe nanoparticles produced by the hydrothermal technique. Our research indicates that Cu doping markedly increases electrical conductivity and the Seebeck coefficient, resulting in enhanced power factors. The Cu-doped ZnSe nanostructures showed various phases with a nanocrystalline shape, characterised by an average grain size of less than 5 nm.

Il successo globale dipende dalla generazione, raccolta e gestione del budget energetico. L'elettricità è l'energia moderna più influente, con utilizzi di mercato in rapida crescita, generati principalmente da tecnologie basate sulla combustione. Tali tecnologie e l'elettronica di consumo diffusa generano molto calore sprecato e "calore di bassa qualità", calore che è troppo basso, disomogeneo, discontinuo o impossibile da recuperare con metodi convenzionali. I nanomateriali e la nanotecnologia stanno rendendo i generatori termoelettrici (TEG), che convertono il calore in elettricità senza parti in movimento, più attraenti. Inoltre, c'è un forte impegno politico per il recupero energetico e una rinnovata attenzione all'esplorazione spaziale, un settore correlato ai TEG. Questo studio esamina la risposta termoelettrica a temperatura intermedia e alta dei materiali nanostrutturati innovativi. I risultati hanno fatto conoscere i meccanismi di drogaggio, la nanostrutturazione e le prestazioni termoelettriche e hanno fatto progredire lo sviluppo di materiali di conversione energetica ad alta efficienza. Per quanto riguarda i materiali, gli studi riportati in questa tesi includono ZnO drogato con Al, ZnSe drogato con Fe, ZnSe drogato con Cu, Bi2Te3 drogato con Se e SnO drogato con Mg, e si concentrano sull'impatto del drogaggio e della nanostrutturazione sulle proprietà termoelettriche. Viene condotta un'analisi sistematica dell'influenza di diverse condizioni di temperatura sulle proprietà termoelettriche. Sono stati utilizzati due approcci per la preparazione sia di nanoparticelle che di film sottili dei materiali: sintesi idrotermica e sputtering magnetron. Per quanto riguarda le metodologie e le tecniche di caratterizzazione, è stata utilizzata la XRD per eseguire la caratterizzazione strutturale. La topografia superficiale è stata studiata utilizzando AFM. La morfologia dei nanocristalli è stata esaminata tramite SEM e l'analisi della composizione elementare è stata condotta tramite EDX. Le proprietà di trasporto sono state misurate con il metodo a 4 sonde nell'intervallo di temperatura 25–350°C. La tesi è organizzata come segue. I capitoli da 1 a 3 coprono gli argomenti sopra menzionati, vale a dire l'introduzione alla termoelettricità su scala nanometrica, materiali e metodi e tecniche per nanostrutture termoelettriche. Il capitolo 4 studia le proprietà TE dei film sottili di ZnO (AZO) drogato con Al, sottolineando l'influenza di diverse concentrazioni di drogaggio di Al (2–8 at.%) sulle caratteristiche di trasporto elettrico e termoelettrico. I film sottili di AZO, con uno spessore di 300 nm, sono stati depositati tramite sputtering magnetron RF. Le caratterizzazioni strutturali e morfologiche indicano che livelli di drogaggio aumentati determinano una migliore conduttività elettrica, con resistività che scende al di sotto di 2 × 10–3 Ohm˖cm al 3 at.% di Al. Il coefficiente di Seebeck è stato visto variare tra 22 e 33 μV/K, raggiungendo un picco all'8 at.% di drogaggio. Nel capitolo 5, studiamo l'impatto del drogaggio di Fe2+ sulle caratteristiche TE delle nanoparticelle di ZnSe prodotte dalla tecnica idrotermale. L'indagine SEM ha dimostrato agglomerati di nanocristalliti di dimensioni variabili a tutti i livelli di drogaggio, mentre la spettroscopia XRD e Raman ha convalidato la struttura cubica dei campioni. Le caratteristiche di trasporto elettrico sono state migliorate con concentrazioni di drogaggio Fe potenziate e il fattore di potenza è stato aumentato da 13 µWm–1K–2 a 120 µWm–1K–2, con un fattore di potenza massimo di 9 × 10–3 Wm–1K–2 a 150°C.