Large harvested energy with non-linear pyroelectric modules

热电性 能量收集 材料科学 电容器 光伏 热光电伏打 光电子学 工程物理 电气工程 电压 卡诺循环 热能 光伏系统 铁电性 物理 能量(信号处理) 电介质 工程类 热力学 量子力学 共发射极
作者
Pierre Lhéritier,Àlvar Torelló,Tomoyasu Usui,Youri Nouchokgwe,Ashwath Aravindhan,Junning Li,Uroš Prah,Veronika Kovacova,Olivier Bouton,S. Hirose,Emmanuel Defaÿ
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:609 (7928): 718-721 被引量:58
标识
DOI:10.1038/s41586-022-05069-2
摘要

Abstract Coming up with sustainable sources of electricity is one of the grand challenges of this century. The research field of materials for energy harvesting stems from this motivation, including thermoelectrics 1 , photovoltaics 2 and thermophotovoltaics 3 . Pyroelectric materials, converting temperature periodic variations in electricity, have been considered as sensors 4 and energy harvesters 5–7 , although we lack materials and devices able to harvest in the joule range. Here we develop a macroscopic thermal energy harvester made of 42 g of lead scandium tantalate in the form of multilayer capacitors that produces 11.2 J of electricity per thermodynamic cycle. Each pyroelectric module can generate up to 4.43 J cm −3 of electric energy density per cycle. We also show that two of these modules weighing 0.3 g are sufficient to sustainably supply an autonomous energy harvester embedding microcontrollers and temperature sensors. Finally, we show that for a 10 K temperature span these multilayer capacitors can reach 40% of Carnot efficiency. These performances stem from (1) a ferroelectric phase transition enabling large efficiency, (2) low leakage current preventing losses and (3) high breakdown voltage. These macroscopic, scalable and highly efficient pyroelectric energy harvesters enable the reconsideration of the production of electricity from heat.
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