Entiendo que los enfriadores termoeléctricos son quizás un cuarto tan eficientes como las bombas de calor. ¿Por qué? ¿Cuál es la fuente de este límite de eficiencia? ¿Qué tendría que cambiar para que los enfriadores termoeléctricos sean más eficientes?
El efecto Peltier ocurre entre dos uniones de materiales eléctricamente conductores con diferentes estructuras de celosía atómica. El flujo de corriente crea una diferencia de temperatura entre dos uniones, pero también genera el calor de Joule en los conductores. También el enlace entre dos uniones es térmicamente conductor. Por lo tanto, la eficiencia del elemento termoleléctrico está limitada por el "corto" térmico de la superficie enfriada a la superficie caliente y el calor parásito de la disipación en los conductores. Para aumentar la eficiencia del elemento (también conocida como "figura de mérito", zT), la conductancia térmica debe minimizarse, mientras que la conductividad eléctrica aumenta.
Desafortunadamente, la Física de la conductividad térmica y la conductividad eléctrica están vinculadas al mismo mecanismo interno: las oscilaciones colectivas de la red atómica o fonones. Los eruditos se dieron cuenta de que la conductividad térmica tiene un límite inferior para el estado amorfo de los materiales, que, desafortunadamente, tiene la Conductividad eléctrica más baja. Por lo tanto, los requisitos de eficiencia para los elementos termoeléctricos son intrínsecamente contradictorios, y solo hay mucho que se pueda hacer para mejorar la situación con la ingeniería de la estructura de bandas utilizando adiciones de diferentes impurezas.
Los módulos peltier del consumidor consisten en semiconductor dopado P conectado en serie (por cable) a un semiconductor dopado N. Esto se encadena en una cadena larga para que sea útil a un voltaje más alto. La mayoría de los portadores en cada sección son empujados en una dirección por un campo eléctrico para crear un gradiente de temperatura. La mayoría de los portadores, que son electrones o agujeros, llevan físicamente su propio calor de un lado a otro. La ineficiencia se vuelve obvia cuando te das cuenta de que mientras los electrones y los orificios se desplazan hacia un lado, los fonones (vibraciones de red) pueden viajar en la dirección opuesta. Así que mientras intentas mover el calor utilizando los portadores gratuitos, los fonones intentan constantemente que todo el elemento alcance el equilibrio térmico. Básicamente, necesita minimizar la conductividad térmica al mismo tiempo que aumenta la conductividad eléctrica.
Por lo general, estos dos tipos de conductividad están bastante relacionados, pero hay algunos materiales únicos que los separan. El aerogel de carbono es un ejemplo de un material que puede ser un buen dispositivo peltier si se puede dopar para tener portadores mayoritarios de carga opuesta.
Lea otras preguntas en las etiquetas efficiency cooling peltier