エネルギー科学：非線形焦電モジュールを用いた巨大なエネルギーハーベスティング

持続可能な電力供給源を見いだすことが、今世紀の大きな課題の1つである。熱電発電、太陽光発電、熱光起電力発電などのエネルギーハーベスティング（環境発電）向けの材料研究分野は、この動機に端を発している。周期的な温度変化を電気に変換する焦電材料は、センサーやエネルギーハーベスターとして機能すると考えられているが、ジュールスケールで発電可能な材料やデバイスは限られている。今回我々は、42 gのスカンジウムタンタル酸鉛を使用した複数の積層発電素子で構成され、1熱力学サイクル当たり11.2 Jの電気を生み出す、巨視的な熱エネルギーハーベスターを開発した。各焦電モジュールは、1サイクル当たり最高で4.43 J cm⁻³の電気エネルギーを発電可能である。我々はまた、マイクロコントローラーや温度センサーを組み込んだ自律型エネルギーハーベスターに持続的に給電するのに、2つのモジュール（重さ0.3 g）で十分であることも示す。さらに我々は、温度範囲が10 Kの場合、こうした積層発電素子がカルノー効率の40％に到達し得ることを示す。こうした性能は、（1）高い効率を可能にする強誘電相転移、（2）損失を防ぐ低リーク電流、（3）高い絶縁破壊電圧に起因している。今回の巨視的かつスケーラブルな高効率焦電エネルギーハーベスターによって、熱からの発電について再検討が可能になる。

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