Integration of silicon micro- and nano-structures for thermoelectric generators

Aprofitar les fonts d’energia ambientals per satisfer la creixent demanda dels dispositius electrònics és un repte clau per reduir la petjada ambiental de la nostra societat. Entre les fonts disponibles, la calor presenta un futur prometedor a causa de la seva presència ubiqua com a subproducte en els processos relacionats amb l’energia, la indústria i el transport. En aquest context, els generadors termoelèctrics destaquen com una possible via per convertir calor en electricitat, ja que són dispositius compactes i robustos (i.e. no tenen parts mòbils i, per tant, necessiten poc o cap manteniment) i presenten una excel·lent escalabilitat (i.e. es poden reduir de mida sense empitjorar-ne l’eficiència). Aquestes propietats fan que els generadors termoelèctrics siguin candidats prometedors per alimentar dispositius portàtils o sensors, en particular aquells que operen en entorns adversos, com ara els nodes de sensors de l’anomenat Internet de les Coses. Tanmateix, l’ús actual dels generadors termoelèctrics continua sent limitat, ja que la majoria dels dispositius comercials es basen en materials costosos i tòxics, com el tel·lurur de bismut. Per això cal explorar materials alternatius. En aquest context, el silici destaca per la seva abundància, no toxicitat i excel·lents capacitats d’integració i miniaturització. No obstant això, l’elevada conductivitat tèrmica del silici limita les seves capacitats termoelèctriques, de manera que cal abordar aquest desafiament per fer-lo viable en aplicacions termoelèctriques. L’objectiu d’aquesta tesi és, per tant, investigar el potencial del silici com a material termoelèctric. Per aconseguir-ho, s’han emprat dues estratègies. La primera és nanoestructurar el silici en forma de nanofils o de capes fines nanoestructurades. En aquest cas, les propietats termoelèctriques del silici es milloren gràcies a les limitacions dimensionals de les estructures. Els nanofils s’han crescut gràcies a una col·laboració amb l’IREC, mentre que les capes nanoestructurades s’han desenvolupat completament en el marc d’aquesta tesi. El segon enfocament consisteix a utilitzar microestructures de silici. Com que en aquest cas no es milloren les propietats termoelèctriques del material, l’objectiu d’aquesta estratègia és explorar si una millora considerable en la gestió tèrmica del generador pot fer viable el silici. Per investigar aquestes tres estructures s’han fabricat diversos dispositius i micro-generadors termoelèctrics utilitzant la tecnologia de silici. A més, també s’ha desenvolupat una metodologia per poder integrar un dissipador de calor als micro-generadors termoelèctrics amb l’objectiu de maximitzar-ne el rendiment. En el cas de les microestructures i dels nanofils de silici, s’han fabricat i caracteritzat micro-generadors termoelèctrics amb dissipador de calor sota condicions que imiten escenaris operatius reals. S’han obtingut densitats de potència dins dels requeriments de l’Internet de les Coses (i.e. superiors a 10 µW/cm²) a temperatures superiors als 175ºC, mentre que s’han assolit potències en l’ordre dels microvats a temperatures més moderades (per sobre dels 100ºC). A més, s’han mesurat les propietats tèrmiques, elèctriques i el coeficient de Seebeck de les capes fines nanoestructurades utilitzant dispositius de test específicament dissenyats. Aquestes mesures van demostrar un increment superior a vuit vegades en la figura de mèrit termoelèctrica en comparació amb el silici no estructurat. Les capacitats de generació de voltatge s’han investigat en microgeneradors termoelèctrics basats en les capes fines nanoestructurades. S’ha observat un augment de 4.4 vegades en el gradient tèrmic que eren capaços d’aprofitar en comparació amb els millors generadors basats en nanofils. Aquests resultats demostren que les capes fines amb nanoestructures ofereixen una millora significativa, tant en les propietats termoelèctriques com en la generació termoelèctrica, en comparació amb la primera generació de nanoestructures de silici (i.e. els nanofils).