Thermoelectric transparent micro-arrays for thermal energy harvesting

Abstract

A presente dissertação reporta a produção de uma matriz de pilares termoelétricos transparentes para a captação de energia térmica. A matriz baseia-se em pilares igualmente espaçados entre si, verticalmente dispostos em um arranjo paralelo. O dispositivo final consiste na utilização de um substrato de vidro com uma camada de óxido de estanho dopado com fluor (FTO), previamente depositada, que agirá como elétrodo inferior. Sobre esta camada é depositada uma camada de dióxido de silício (SiO2) que servirá de isolante elétrico e térmico. Recorrendo a técnicas da sala limpa, a matriz de pilares é gravada no SiO2. Posteriormente, procede-se à deposição do material termoelétrico, o dióxido de titânio dopado com nióbio (TiO2:Nb), obtendo-se assim os pilares termoelétricos. Através desta última técnica é depositado o elétrodo superior, o óxido de zinco dopado com alumino (AZO). Os pilares estão isolados entre si pelo SiO2. Foram obtidas seis amostras, sendo que cinco destas amostras contêm a matriz de pilares termoelétricos, e a restante amostra apenas um filme contínuo de TiO2:Nb no lugar dos pilares, com o propósito de efetuar testes comparativos a fim de testar a eficiência dos pilares. A transmitância média obtida no espetro do visível mais elevada entre todas as amostras foi de 75%. Foi comprovado a eficácia dos pilares em termos de produção de corrente elétrica, destacando-se o valor máximo obtido de 12,2 µA para um ∆T=9,3 K. Para a mesma amostra foi obtida uma tensão de 0,263 mV para um ∆T=9,2 K. Todas as amostras foram igualmente testadas até um gradiente térmico nunca superior a 10 K, pelo que o maior coeficiente de Seebeck obtido para as amostras com pilares foi de 25,3 µV/K. Foi ainda realizado um tratamento de térmico em alto vácuo para uma das amostras, apresentando um comportamento de saturação para gradientes térmicos superiores a 6 K. Porém demonstrou um coeficiente de Seebeck de 35,8 µV/K e um aumento no fator de potência termoelétrico de 4,1×10−14 Wm−1K −2 para 9,7×10−14 Wm−1K −2.

This dissertation reports the production of arrays of transparent thermoelectric pillars for thermal energy harvesting. The array is based on equally spaced pillars, vertically positioned in a parallel arrangement. The final device consists of using a glass substrate with a previously deposited fluorine doped tin oxide (FTO) layer that will act as the bottom electrode. A silicon dioxide (SiO2) layer is deposited on top of previous layer, which will serve as an electrical and thermal insulator. Using cleanroom techniques, the pillar array is etched in SiO2. Subsequently, the thermoelectric material, niobium-doped titanium dioxide (TiO2:Nb), is deposited, thus obtaining the thermoelectric pillars. The top electrode consists of an aluminum-doped zinc oxide (AZO) film deposited using the latter technique. The pillars are isolated from each other by the SiO2. Six samples were obtained, five containing the array of thermoelectric pillars. The remaining sample only has a continuous film of TiO2:Nb in place of the pillars, with the purpose of carrying out comparative tests to test the efficiency of the pillars. The highest average transmittance obtained in the visible spectrum among all samples was 75%. The effectiveness of the pillars in terms of electric current production was proven, highlighting the maximum value obtained of 12.2 µA for a ∆T=9.3 K. For the same sample, a voltage of 0.263 mV was obtained for a ∆ T=9.2 K. All samples were equally tested up to a thermal gradient never greater than 10 K, whereby the highest Seebeck coefficient obtained for samples with pillars was 25.3 µV/K. A thermal annealing treatment in high vacuum was also carried out for one of the samples. The sample showed a saturation behaviour for thermal gradients greater than 6.0 K. However, it revealed the highest Seebeck coefficient of 35.8 µV/K and an increase in the thermoelectric power factor of 4.1×10−14 Wm−1K −2 to 9.7×10−14 Wm−1K −2 .