4.4. Pierpaolo Donati ve ERİS
4.4.1. Bilişsel Bir Kategori Olarak Sosyal İlişkiler
Os dispositivos termoelétricos construídos a partir de material metálico ou semicondutor via processamento cerâmico, são capazes de transformar o calor ou diferenças de temperatura em energia elétrica, ou vice-versa. A eficiência termoelétrica é medida em termos do número de Ioffe (
Z = S2/K
), ondeS
é o coeficiente Seebeck,
é a condutividade elétrica eK
a condutividade térmica (Dismukes 1965). Os materiais semicondutores de uma forma geral apresentam uma eficiência termoelétrica maior que a dos metais, por causa do aumento de sua condutividade elétrica com a temperatura.A aplicação de materiais semicondutores na construção de termoelementos tem contribuído de maneira significativa para o campo da geração de eletricidade, refrigeração e calefação. Estes materiais, tanto mono como policristalinos ou processadas ceramicamente, podem ser usados como fonte alternativa de energia em Geradores Termoelétricos de
Potência a Radioisótopos (GTR) (Dismukes 1965), especificamente na conversão de
energia por efeitos termoelétricos a altas temperaturas
(1000ºC
), apresentando rendimentos da ordem de10
a20%
para os semicondutores. As demais aplicaçõesenergéticas destes elementos em termoeletricidade são em: refrigeradores termoelétricos, dispositivos de aquecimento termoelétrico industrial e doméstico, som gerado termoeletricamente, geradores de ultra-som, termoelementos a vácuo, aplicações espaciais na alimentação de satélites, aplicações marítmas em bóias e faróis, aplicações em medicina na alimentação de marcapasso cardíaco, como é também do interesse da Física Teórica com base na moderna ciência dos semicondutores.
Entretanto, as aplicações econômicas e práticas dos materiais termoelétricos dependem das características dos termoelementos disponíveis, da sua eficiência, das temperaturas de operação, da estabilidade de operação e dos custos envolvidos, desde a matéria prima até a preparação.
O desenvolvimento de materiais para geração de energia termoelétrica envolve aspectos teóricos e experimentais. É necessário obter materiais capazes de operar a altas temperaturas
(1000ºC
) para obter-se uma eficiência de operação comparável a de outros dispositivos de conversão de energia direta, como por exemplo, células solares e diodos termoiônicos.Estudos com vários tipos de materiais foram feitos e os resultados encontrados classificaram as ligas de silício-germânio como sendo as que apresentam as melhores características para operar em altas temperaturas, pois é uma das mais eficientes inclusive para grandes diferenças de temperatura. A utilização destas ligas em geradores termoelétricos de potência (GTE) tornou-se um desafio a ser conquistado no domínio da tecnologia de produção de energia nos países desenvolvidos, tais como, na antiga União Soviética, Estados Unidos e Reino Unido, sendo que diversos dispositivos manufaturados com este material já existem no mercado internacional.
1.6 - As ligas de Si-Ge
As primeiras investigações das características termoelétricas isoladas do
Si
e doGe
datam da década de 50, sendo Geballe e Hull (1954) os pioneiros na avaliação das propriedades do silício, Frederickse (1953) e (1954), e Geballe (1953) do germânio como elemento termoelétrico. Contudo coube a Steele e Rosi (1958), Abelles e Cohen (1964) a análise e construção do primeiro gerador termoelétrico utilizando as ligas deSi-Ge
.O domínio da tecnologia de obtenção de materiais termoelétricos para altas temperaturas é restrito e de difícil acesso. Ele envolve o conhecimento profundo das propriedades de transportes térmico e elétrico de semicondutores fortemente dopados a altas temperaturas.
O germânio adicionado ao silício em porcentagens ideais ocupa posições substitucionais, formando uma liga com a mesma estrutura do silício puro, tendo aproximadamente o mesmo parâmetro de rede com ligeiras distorções da matriz base. Esta
distorção da matriz é efetiva no espalhamento de fônons térmicos que, à temperatura ambiente, tem comprimento de onda da ordem do parâmetro de rede da liga (Figura - 1.2).
Figura - 1.2. Esquema bidimensional da estrutura cristalina de uma liga de silício- germânio homogênea, fortemente dopada , mostrando o espalhamento de fônons em torno do germânio.
Neste caso, o germânio (soluto) dentro da matriz de silício funciona como centro espalhador de fônons (Dismukes 1964) na rede cristalina com a finalidade de diminuir a condutividade térmica do material (Erofeev 1966) a elevadas temperaturas, e proporcionar uma melhor eficiência. A diminuição da condutividade térmica garante o aumento no rendimento dos geradores termoelétricos, conforme demonstra a definição do parâmetro
Z
, desde que não haja comprometimento na condutividade elétrica (Golikova 1966) da liga.Por outro lado, a inclusão do germânio altera as características das bandas de condução do silício, diminuindo o tamanho do gap de energia, (Figura - 1.3) e favorecendo a formação de portadores intrínsecos no material. Por sua vez estes portadores conduzem calor o qual é liberado quando eles se recombinam na extremidade fria do termoelemento. Este efeito de transporte de calor pelos portadores de carga é indesejável. Os mecanismos de espalhamento, condução térmica e elétrica são competitivos e devem ser otimizados. Além disto o material deve ser altamente dopado da maneira mais homogênea possível afim de garantir a uniformidade de todos estes efeitos em todo o material. Além dos problemas ligados a pureza do material.
Várias foram as composições de
Si-Ge
estudadas para o uso termoelétrico. Contudo, atualmente, há consenso em três soluções sólidas adequadas para esse fim, como consequência das melhores propriedades apresentadas (baixa condutividade térmica, alta condutividade elétrica, estabilidade química e elevada potência termoelétrica) a saber:Si0.7Ge0.3, Si0.8Ge0.2, e (Si0.5Ge0.5)0.9 GaP0.1
.Banda de Condução Banda de Condução Banda de Condução
Gap
Banda de Valencia Banda de Valencia 1.2eV
0.7eV 0.7eV
1.2eV
Banda de Valencia
Liga de SiGe
Silício (Si) Germânio (Ge)
Figura - 1.3. Diagrama esquemático das bandas de energia nos materiais semicondutores: silício e germânio
Todos os problemas mencionados acima devem ser tratados no seguinte contexto teórico-experimental:
i) Estudo dos fenômenos físicos relevantes ao material: espalhamento de fônons, condutividade térmica (contribuições da rede cristalina e eletrônica), portadores de carga intrínsecas e extrínsecas, densidade, mobilidade, bandas de energia e influência dos dopantes;
ii) Preparo das ligas (homogeneização, pureza, etc.)
iii) Medida das características térmicas e elétricas a baixas e altas temperaturas iv) Determinação da eficiência termoelétrica
v) Confecção da junção metal-semicondutor
1.6.1 - Preparação das ligas e dopantes
De uma forma geral, a dificuldade na preparação de ligas termoelétricas e na dopagem está fundamentalmente na homogeneização. Visto que o germânio é altamente segregado no silício, dificultando a obtenção de materiais monocristais com composições bem definidas.
Vários autores têm obtido cristais de
Si-Ge
para emprego termoelétrico crescendo o material por diversos métodos, tais como: "Zone Leveling Technique" (Steele 1958, Dismukes 1965), Czochralski (Dismukes 1964) e Bridgman (Abeles 1964).Os dopantes indicados para essas ligas (poli e monocristalinas) são os descritos na literatura, sendo o