Novel thin-film materials for energy applications
- Reference number
- FFL12-0003
- Start and end dates
- 140101-191231
- Amount granted
- 9 838 867 SEK
- Administrative organization
- Linköping University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The purpose of this application is to adress outstanding strategic research challenges and to consolidate my position as an already established scientist and research leader in nanostructured thin-film energy materials, as thermoelectric components and as solid electrolytes in fuel cells. I aim to exploit my group's recent breakthroughs: the discovery of the excellent thermoelectric properties of ScN-based films, and room-temperature-stable delta-Bi2O3, which is the best existing ionic conductor, but not stable in bulk. In-depth fundamental studies are needed to enable property tailoring in these systems and break new ground. The proposed project has two work packages: fundamental research and development of novel scandium-nitride based thermoelectrics (WP1) and ionic conductors (Bi2O3, yttria-stabilized zirconia, gadolinia-doped ceria) for solid electrolytes and barrier layers in solid oxide fuel cells (WP2). Ab initio calculations of band structures, dopant- and vacancy-stabilization, and properties are naturally and iteratively integrated in the experimental WPs. The choice of topics is well-balanced covering the value chain from pure fundamental groundbreaking research via applied research to industry collaboration for upscaling. I employ and develop an arsenal of state-of-the-art physical vapor deposition methods. My in-depth expertise in these areas places me in a unique position to pursue this original high-gain approach to thermoelectrics and ionic conductors.
Popular science description
Målet med det här projektet är en grundläggande vetenskaplig förståelse för spännande klasser av material som kan användas för effektivare energihushållning i samhället. De nya materialen vi är intresserade av är dels termoelektriska material och jonledande tunnfilmsmaterial för bränsleceller. Bränsleceller och termoelektriska material kan utgöra viktiga delar av framtidens energisystem och hjälpa till att lindra den globala uppvärmningen. Bränsleceller är effektiva och miljövänliga, och kan använda nästan alla sorters bränsle (t. ex. väte, etanol, biobränslen, och för den delen även fossila bränslen). Idag används ett oxidmaterial som s.k. elektrolyt, den viktigaste delen i bränslecellens design. Problemet är att bränslecellerna måste arbeta vid mycket hög temperatur (800 – 1000 °C) för att vara tillräckligt effektiva. De blir därför alltså dyra, komplicerade och svårhanterliga. Vi kommer att utveckla nya elektrolytmaterial med tunnfilmsteknik, vilket förhoppningsvis kan sänka arbetstemperaturen med flera hundra grader eller kanske till och med till rumstemperatur. ”Termoelektriska” material omvandlar värme (t. ex. spillvärme från motorer, datorer, eller kraftverk) till användbar elektricitet, och kan även användas för miljövänlig kylning. Det här är inte så lätt som det låter: det krävs en temperaturskillnad mellan materialets båda ändar. Med andra ord behövs en dålig värmeledare, men samtidigt måste det vara en god elektrisk ledare för att få ut någon ström. Normalt betyder god elektrisk ledning också god värmeledning. För att termoelektriska komponenter ska nå utbredd tillämpning bortom dagens nischmarknader, krävs banbrytande framsteg. Kvalitetsmåttet ZT = 4 anges ofta som mål, men ingen klar strategi finns för att uppnå detta med traditionella metoder. Vi kommer att utveckla en ny klass av termoelektriska material baserade på nitrider av övergångsmetaller, främst skandium, och sällsynta jordartsmetaller. Våra resultat visar att skandiumnitridfilmer har en anmärkningsvärt hög ZT som kan finjusteras genom dopning och legering. I våra nitridmaterial tänker vi lägga in lagrade strukturer som endast är tio miljarddels millimeter; vilket orsakar en kraftigt reducerad värmeledningsförmåga utan att nämnvärt påverka den elektriska ledningen. Om vi verkligen förstår och uppnår detta, kan vi utveckla och designa material som är tillräckligt effektiva för att användas i vardagslivet och industri som miljövänliga energikällor och för energiåtervinning.