Các thiết bị nhiệt điện hữu cơ (OTE) chuyển đổi nhiệt thải thành điện năng hữu ích, nhưng chúng vẫn chưa đủ hiệu quả để sử dụng trong thực tế. Nhóm nghiên cứu tại Đại học khoa học và công nghệ KingAbdullah (KAUST) phát triển công cụ lựa chọn dung môi tốt nhất để sử dụng khi chế tạo OTE, cải thiện đáng kể công suất đầu ra của chúng.

Nhiệt thải hiện diện ở khắp mọi nơi: các quy trình công nghiệp, động cơ ô tô, máy điều hòa không khí, thậm chí cả trong tách cà phê của bạn. Vì vậy, việc thu hồi một phần năng lượng này, chuyển đổi thành điện năng sẽ rất hữu ích.

Các thiết bị nhiệt điện thông thường, dựa vào chất bán dẫn vô cơ đắt tiền, chẳng hạn như bismuth telluride, khiến chúng chỉ ứng dụng trong một số lĩnh vực nhất định. Ngược lại, OTE dựa vào màng polymer có thể xử lý bằng dung dịch để tạo ra thiết bị giá thành rẻ hơn. Đây là hệ thống màng mỏng thu thập nhiệt thải, chuyển đổi thành điện năng.

Các polymer này tạo thành các vùng tinh thể bên trong màng. Các thiết bị đạt hiệu suất tốt nhất khi các vùng này xếp thẳng hàng với nhau, vì điện tích có thể di chuyển dễ dàng hơn từ đầu nóng sang đầu lạnh của thiết bị để tạo ra dòng điện.

Nhưng việc kiểm soát liên kết polymer trước đây, đòi hỏi các kỹ thuật tốn kém hoặc tiêu tốn nhiều năng lượng. Ngoài ra, thiết bị còn cần pha tạp các chất phụ gia, bổ sung điện tích quan trọng cho polymer nhưng cũng có thể phá vỡ cấu trúc tinh thể của nó.

Điều này thúc đẩy nhóm nghiên cứu KAUST tìm một dung môi, giúp polymer liên kết trong quá trình hình thành màng. Để tránh nhiều thí nghiệm tốn thời gian với các dung môi khác nhau, nhóm nghiên cứu tạo ra mô hình dự đoán dung môi nào sẽ tạo ra màng tốt nhất từ một loại polymer cụ thể.

Mô hình gồm một loạt thông số, đánh giá khả năng dung môi hòa tan polymer và chất pha tạp, cũng như điểm sôi của dung môi. Phương pháp này dựa trên khái niệm gọi là dị hướng do lực phân tử (MFDA), phân tích lực giữa các phân tử dung môi, chất pha tạp và polymer để đảm bảo các thành phần này kết hợp với nhau một cách lý tưởng.

Sử dụng mô hình này, nhóm nghiên cứu khảo sát hơn 10.000 dung môi, tìm kiếm sự kết hợp lý tưởng cho polymer polythiophene và ba chất pha tạp khác nhau. Bằng thuật toán, họ phát hiện dung môi phổ biến là chlorobenzene, tối đa hóa hướng cạnh mong muốn của polymer.

Khi họ chế tạo OTE bằng công thức này, nó tạo ra công suất gấp 20 lần so với thiết bị tương tự chế tạo bằng dung môi ortho-dichlorobenzene, loại tiêu chuẩn thường dùng để chế tạo các thiết bị này. Không cần thêm bất kỳ thủ thuật nào, chỉ cần thay đổi chất lỏng là đã có thể tăng hiệu suất.

Công trình của nhóm KAUST có thể giúp lĩnh vực nhiệt điện hữu cơ còn non trẻ rút ngắn lộ trình, đưa nghiên cứu từ phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực tế, có thể thu hồi lượng nhiệt thải từ các nhà máy, phương tiện giao thông và thiết bị gia dụng hằng ngày, biến năng lượng vô hình đó thành năng lượng hữu ích.