GIORNATE SULLA TERMOELETTRICITA’ 21-22 FEBBRAIO 2013 Aula Blu, Area della ricerca di Padova Corso Stati Uniti 4, 35127 Padova Programma ed elenco degli interventi Comitato Scientifico e Organizzatore Sergio Daolio (IENI), Monica Fabrizio (IENI Padova), Vincenzo Buscaglia (IENI Genova), Stefano Boldrini (IENI Padova), Stefania Fiameni (IENI Padova), Simone Battiston(IENIPadova),MatteoCodecasa(IENILecco).
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Nonostante i dispositivi termoelettrici (TE) siano compatti, silenziosi, robusti, stabili e affidabili
la generazione di energia termoelettrica e il raffreddamento per effetto Peltier hanno trovato
soltanto applicazioni di nicchia poiché tali dispositivi sono anche poco efficienti (tipicamente
meno del 5%) e costosi. La chiave per una diffusione su larga scala di questa tecnologia è lo
sviluppo di materiali termoelettrici capaci di efficienze elevate, ma oltre all’efficienza altri
parametri giocano un ruolo non meno importante per aprire la strada ad applicazioni e mercati
più ampi. In particolare il settore automotive richiede materiali leggeri, composti da elementi
chimici largamente diffusi e facilmente accessibili con un buon ciclo di approvvigionamento,
non tossici, con potenziale conformità alle regolazioni REACH e RoHS e caratterizzati da costi
contenuti sia per quel che riguarda le materie prime che i processi produttivi.
Il Centro Ricerche FIAT, nell’ambito di un progetto Europeo del 7° programma quadro,
THERMOMAG, partecipa attivamente allo sviluppo di materiali termoelettrici innovativi e
nanostrutturati a base di siliciuro di magnesio in grado di soddisfare le suddette richieste in
termini di prestazioni, disponibilità e costi. Lo scopo del progetto, le caratteristiche e i vantaggi
dei materiali in questione e alcuni dei risultati della ricerca in corso d’opera saranno presentati e
approfonditi.
HeatReCar: first light commercial Vehicle equipped with a TEG
Daniela Magnetto
Centro Ricerche FIAT, St Torino 50, 10043 Orbassano, Italy
Key words
CO2 emission reduction, energy efficiency, TEG, light commercial vehicles
The main objective of the HEATRECAR project was to reduce the energy consumption and to curb
the CO2 emissions of vehicles by massively harvesting the electrical energy from the exhaust
system and re-use this energy to supply electrical components within the vehicle or to feed the
powertrain of hybrid electrical vehicles.
A high efficiency TEG has been design to maximize the overall energy efficiency on board the
vehicle, taking into account all the integration aspects and constraints with the other vehicle system
and subsystem.
High performing TE material has been developed in the frame of the Project and a optimization on
the module design has been realized. The TEG unit assembly has been realized optimizing the
thermal exchange both on the hot side and of the cold side and with special care in reducing the
volume, the weight and the pressure drop on the gas side compare to state of the art TEG. Specific
test has provided the best electrical connection design for the modules and a specific DC/DC
converter has been design and manufacture.
The system has been installed on a test rig and has been characterized and validated under the
thermal, hydraulic an electric point of view. After that, the TEG has been installed on-board an
Iveco Daily and fully integrated with the heat rejection and the electric board net. A specific control
strategy has been developed in order to maximize the overall energy efficiency of the vehicle. Test
demonstrate that at the design point which correspond to the manufacturer reference driving cycle
condition, the system is able to provide approximately 500We. ) The system is reducing the CO2
emission of about the 5% over the homologation driving cycle (NEDC) and up to 8% over customer
cycles.
The paper will present the system design, integration and testing results on board the vehicle and
the relevant advanced that has been reached compare to the state of the art TEG for automotive
application.
Presente e futuro delle applicazioni termoelettriche nel settore automotive
Marco Ranalli
Gentherm Europe, Germany
Nonostante la percezione comune di soluzioni di nicchia, diversi tipi di sistemi termoelettrici hanno già
trovato applicazione su vetture convenzionali. Gentherm fornisce da oltre 10 anni sistemi termoelettrici
per prima applicazione su sedili ed elementi di abitacolo. Recentemente, l’introduzione della
regolamentazione delle emissioni di CO2 ha inoltre generato una forte spinta verso l’introduzione di
veicoli a propulsione ibrida e totalmente elettrica, creando nuove esigenze legate ad una più efficiente
termoregolazione dell’abitacolo e della batteria. Nuovi materiali e sistemi termoelettrici sono inoltre
disponibili per il recupero energia da fonti di calore quali i gas di scarico di motori a combustione
interna. Nel corso della presentazione verrà fatto il punto sulle diverse attività di ricerca e sviluppo in
entrambi gli ambiti di controllo della temperatura e recupero energia.
Venerdì 22 febbraio 2013
Abstract delle presentazioni
Controllo della conducibilità termica di multistrati epitassiali di Silicio-
Germanio
Armando Rastelli, Peixuan Chen
Institute of Semiconductor and Solid State Physics, Johannes Kepler University Linz, Austria
I materiali utili per impieghi termoelettrici devono possedere conducibilità termiche
sufficientemente basse da limitare le perdite dovute al trasporto di calore non accompagnate
da trasporto elettrico. Sfruttando la diffusione dei fononi, è possibile ridurre la conducibilità
termica di diversi materiali attraverso nanostrutturazione.
In questo contributo consideriamo sistemi modello per studiare l’effetto prodotto da
nanostrutture sulla conducibilità termica di materiali semiconduttori, e cioè multistrati
epitassiali ottenuti depositando strati sottili di Ge alternati a Si. Mostreremo che questa
semplice combinazione permette di controllare in modo preciso e in un range di due ordini di
grandezza la conducibilità termica del materiale risultante. Il confronto con calcoli a principi
primi mostra che il risultato sperimentale è da ricondurre alla segregazione di Ge in Si durante
la crescita [1].
[1] Peixuan Chen, N. A. Katcho, J. P. Feser, Wu Li, M. Glaser, O. G. Schmidt, David G. Cahill, N. Mingo, A.
Rastelli, arXiv:1301.0405
Silicio de novo: prospettive di un materiale maturo ma ancora giovanile
D. Narducci1*
, A. Arcari1, B. Lorenzi
1, A. Roncaglia
2, M. Ferri
2, F. Suriano
2, G.
Ottaviani3, S. Frabboni
3, R. Tonini
3, N. Neophytou
4 e X. Zianni
5
1 Dipartimento di Scienza dei Materiali, Università di Milano Bicocca, Milano
2 IMM−CNR, Bologna
3 Dipartimento di Fisica, Università di Modena e Reggio Emilia, Modena
4 Institute for Microelectronics, Technical University of Vienna, Vienna (Austria)
5 Department of Applied Sciences, Technological Educational Institution of Chalkida, Salonicco e Institute
of Microelectronics, NCSR ‘Demokritos’, Atene (Grecia)
È ben noto che il silicio presenta caratteristiche termoelettriche complessivamente
modeste. Il suo fattore di potenza risulta limitato dalla ridotta pendenza della densità
degli stati elettronici in prossimità dei bordi di banda, dalla modesta mobilità dei portatori
in banda e da una apprezzabile conducibilità termica. Come tale, il silicio ha trovato
tuttavia applicazioni in ambiti specifici1,2
, dove la sua naturale integrabilità nei circuiti
microelettronici ha avuto agio su rendimenti di conversione calore−energia elettrica non
elevati.
Negli ultimi anni si è tuttavia osservata una significativa ripresa di interesse verso questo
materiale, principalmente connessa con lo scivolamento del paradigma di ricerca nel
settore dei sistemi termoelettrici verso materiali nanostrutturati. L’osservazione che
nanofili di silicio presentano un significativo incremento del numero di merito fino a
valori prossimi all’unità3,4
a causa della riduzione della conducibilità termica ha
ingenerato un forte interesse da un lato verso la nanostrutturazione di altri materiali
termoelettrici5 e dall’altro verso la messa a punto di tecniche di produzione di nanofili di
silicio con metodologie scalabili.
Questa collaborazione ha intrapreso nel 2009 una attività di ricerca intesa allo studio del
silicio come materiale termoelettrico. In questa comunicazione saranno presentati i
principali risultati conseguiti nella nanostrutturazione di silicio policristallino fortemente
drogato e le sue attuali prospettive di industrializzazione. Lungo una direttrice sono state
messe a punto procedure di preparazione scalabili che hanno consentito di ottenere
nanofili e nanostrati di silicio policristallino caratterizzati da figure di merito a
temperatura ambiente comparabili con quelli misurati nei nanofili monocristallini6-8
. In
parallelo è stata individuata e studiata sia sperimentalmente sia computazionalmente la
possibilità di incrementare il fattore di potenza del silicio attraverso metodologie di
nanostrutturazione bottom−up9-12
.
(1) Mancarella, F.; Roncaglia, A.; Cardinali, G. C. Sens. Act. A 2006, 132, 289-295.
(2) Strasser, M. et al. Sens. Act. A 2002, 97-98, 535-542.
(3) Boukai, A. I. et al. Nature 2008, 451, 168-171.
(4) Hochbaum, A. I. et al. Nature 2008, 451, 163-167.
(5) Dresselhaus, M. S. et al. Adv. Mater. 2007, 19, 1043-1053.
(6) Cerofolini, G. F. et al. Semicond. Sci. Techn. 2010, 25, 095011.
(7) Ferri, M. et al. Microelectr. Eng. 2011, 88, 877-881.
(8) Cerofolini, G. F. et al. Semicond. Sci. Techn. 2011, 26, 045005.
(9) Narducci, D. et al. G. Proc. 8th European Conf. on Thermoelectrics, Como, 2010; p 141.
(10) Narducci, D. et al. Mater. Res. Soc. Symp. Proc., Boston, 2010; mrsf10-1314-ll05-16.
(11) Narducci, D. Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 102104.
(12) Narducci, D. et al. J. Solid State Chem. 2012, 193, 19-25.
Ge-rich SiGe Multilayers for Thermoelectric Applications: Growth and Characterization
S. Cecchi1(a), D. Chrastina(a), J. Frigerio(a), G. Isella(a), T. Etzelstorfer(b), J. Stangl(b), E. Müller(c), L. Ferre Llin(d), A. Samarelli(d), J. Weaver(d), P. Dobson(d) and D. J. Paul(d)
(a) L-NESS Politecnico di Milano, Polo Territoriale di Como, Como, Italy(b) Institute of Semiconductor and Solid State Physics, Johannes Kepler University, Linz,
Austria(c) Electron Microscopy ETH Zurich (EMEZ), Zurich, Switzerland(d) Dept. of Electronics and Electrical Engineering, University of Glasgow, Glasgow, UK
We have deposited and characterized Ge-rich SiGe multilayers on Si substrates with the aim of demonstrating microfabricated room temperature thermoelectric (TE) gen-erators monolithically integrated on silicon (see Fig. 1). SiGe heteroepitaxy is a ma-ture growth technology, scalable, cheap and integrable with nowadays CMOS micro-power circuits (i.e. used in autonomous systems) which would allow improved ZT materials based on low dimensional structures [1] to be engineered.
In order to obtain useful TE effects the heterostructure must be several microns thick. Therefore, a growth technique which is capable of producing, in a reasonable time, high quality material with nanometer-scale control over a range of several microns is required. Low-energy plasma-enhanced chemical vapor deposition (LEPECVD) has been used in our case [2]. Crystal quality and strain control have been investigated by means of high resolution X-ray diffraction and transmission electron microscopy.
Preliminary electrical and thermal conductivity measurements indicate the viability of this material for the realization of thermoelectric devices.
Figure 1. Schematic of the structures for lateral electrical and thermal transport.
[1] L. D. Hicks, M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 47, 12727 - 12731 (1993).
[2] S. Cecchi et al., J. Mater. Sci. 48, 2829 (2013).
Recently, it has been largely demonstrated that nanostructures, as nanowires, show enhanced thermoelectric properties. In particular, a significative reduction of the lattice thermal conductivity has been found for nanowires with diameters smaller than 100 nm, meanwhile electrical properties are similar to the ones of bulk materials. This leads to a noticeable increasing of the figure of merit Z=S2 / k (S: Seebeck coefficient, electrical conductivity, k: thermal conductivity). Devices for high efficiency thermal to electrical energy conversion could be fabricated and exploited for direct conversion of heat in electrical power. However, a single (or very few) nanowires are unsuitable for a massive production of energy because the current, and the electrical power, is limited by the nanowire diameter. Furthermore, 100 nm wide nanowires can be fabricated with a good reliability only with a reduced length, that is at the best of few (10-20) m; consequently, there are noticeable problems for clamping the nanowire between the hot and cold sources that must be maintained to a suitable distance for a good thermal isolation.In this work, a top down process for the reliable fabrication of very complex, large area, nets of interconnected silicon nanowires (SiNWs) will be shown and illustratated. It will be demonstrated that these networks of well organized SiNWs are thermally and electrically equivalent to a huge number of parallel SiNW with a length of several millimeters . In this way, they can be easily assembled to obtain macroscopic thermoelectric generators, that will exploit the enhancement of thermoelectric properties proper of nanoscaled materials. The process is fully C-MOS compatible and it can be used for the fabrication of high efficiency thermoelectric generators based on a large amount (order of 105 SiNWs per mm2) of very narrow (< 50 nm) silicon nanowires. Electrical and thermal characterization of SiNW arrays will be reported and discussed.The figure shows a compositions of SEM images of a silicon nanowire network, fabricated with the proposed process. For demonstration, an area of 1X0.6 mm2 has been used. The net is formed of nanowires 3 m long and 50 nm wide, it is very reliable and robust with respec to nanowire failure (breaking), and it is equivalent to many SiNWs 1 millimeter long, 50 nm wide, placed in parallel between the top and the bottom contact.