Nuevo avance para la energía sostenible: consiguen que un mismo material aumente su conductividad eléctrica y disminuya la térmica

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El Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) lidera un trabajo que ha desarrollado una fórmula sostenible por la que han conseguido que un mismo material conduzca más electricidad mientras han disminuido su conductividad térmica. Estas dos características, que a simple vista podrían parecer contradictorias, permiten que dicho material genere más energía sin que ésta se pierda en forma de calor.

“Necesitamos que los electrones se muevan rápido mientras que las vibraciones de la red vayan despacio, pero lo normal es que cuanto más ‘estropeas’ una de esas características, más se ‘estropee’ la otra”, explica Federico Serrano, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) y líder del estudio. Su estrategia ha buscado “desacoplar” ambas características: “como cada una se mueve a longitud de onda diferente, hemos conseguido afectar a una longitud de onda y no a la otra”, explica el científico.

La relevancia del trabajo, publicado en la revista Small Structures, se explica por el contexto energético actual: “La creciente demanda de energía y el grave impacto ambiental de la combustión de combustibles fósiles requieren soluciones energéticas sostenibles, eficientes e innovadoras”, describe Serrano, al tiempo que señala que, ante esta realidad, “la mejora de la producción de energía mediante la conversión directa de calor en energía eléctrica a través de materiales termoeléctricos ofrece una alternativa atractiva para la recuperación de calor residual, el bombeo de calor y la refrigeración localizada”.

Por todo esto, el equipo de trabajo ha utilizado calcopiritas, un tipo de material termoeléctrico (es decir, material que convierte el calor en electricidad) que tiene una estructura similar a la del diamante y que normalmente se compone de sulfuro de hierro y cobre. Sin embargo, en esta ocasión han cambiado el cobre por la plata, y han observado cómo la capacidad de generación de electricidad aumentaba más conforme más plata se incluía en la aleación. “Esto nos indica un potencial sustancial para mejorar aún más su rendimiento mediante estrategias de dopaje”, continúa Serrano.

Parte de la relevancia del estudio es esta composición con la plata, pero también la fórmula seguida para la fabricación de su calcopirita. Los investigadores han usado un horno de arco, donde han fundido todos los materiales a muy alta temperatura, y después han hecho que ésta se enfríe muy rápido. “De esta forma, el material se crea con una nanoestructura en forma de láminas que también contribuye al objetivo de la disminución de la conductividad térmica”, describe Serrano.

La reducción de la conductividad térmica es de alrededor de 1,25 vatios. Una cantidad que, aunque pueda parecer pequeña, no es trivial: “Como estamos trabajando con conceptos contrarios, es muy difícil de conseguir esa disminución de la conductividad y, y, por poco que sea, es relevante”, incide el investigador.

Otro punto clave del trabajo se relaciona con que esta fórmula es muy sostenible ya que evita el uso de telurio, un metal raro cuya obtención es muy complicada y que, además, presenta diversos problemas de salud y toxicidad ambiental. De este modo, la conclusión del estudio es también la consecución de una plataforma sostenible y libre de telurio para el diseño de elementos termoeléctricos de alta movilidad de electrones mediante el control de su estructura interna.

“Estos resultados sugieren un potencial significativo de las calcopiritas aleadas con plata para mejorar aún más la eficiencia termoeléctrica mediante el ajuste fino de la concentración de portadores de electrones”, concluye el investigador. En el trabajo han participado equipos del Consejo Superior de Investigaciones Científicas, la Universidad de Sevilla, la Universidad Complutense de Madrid y la Universidad de Castilla-la Mancha.

Referencia: 
Irene Caro-Campos, Victor Posligua, Jesús Prado-Gonjal, Oscar J. Dura, Norbert M. Nemes, Javier Gainza, José L. Martínez, José A. Alonso, Antonio M. Márquez, José J. Plata, Federico Serrano-Sanchez*. Phonon Scattering by Local Off-Centering in Diamond-Like Cu2−XAgxIn2Se4 Chalcopyrites: High Carrier Mobility and Ultralow Thermal Conductivity. Small Structrures. DOI: doi/10.1002/sstr.202500800