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

Resumen

Aprovechar las fuentes de energía medioambientales para satisfacer la creciente demanda de los dispositivos electrónicos es un desafío clave para reducir la huella ambiental de nuestra sociedad. Entre las fuentes disponibles, el calor presenta un futuro prometedor debido a su presencia ubicua como subproducto en los procesos relacionados con la energía, la industria y el transporte. En este contexto, los generadores termoeléctricos destacan como una posible ruta para convertir calor en electricidad debido a que son dispositivos compactos y robustos (i.e. no tienen partes móviles y, por lo tanto, necesitan poco o ningún mantenimiento) y poseen una escalabilidad excelente (i.e. se pueden reducir en tamaño sin empeorar su eficiencia). Estas propiedades hacen que los generadores termoeléctricos sean candidatos prometedores para alimentar dispositivos portátiles o sensores, en particular aquellos que operan en entornos adversos, como los nodos de sensores del llamado Internet de las Cosas. Sin embargo, el uso actual de los generadores termoeléctricos sigue siendo limitado debido a que la mayoría de los dispositivos comerciales están basados en materiales costosos y tóxicos, como el telururo de bismuto. Es por ello que se deben explorar materiales alternativos. En este contexto el silicio destaca por su abundancia, no toxicidad y excelentes capacidades de integración y miniaturización. No obstante, la alta conductividad térmica del silicio limita sus capacidades termoeléctricas, por lo que hay que abordar este desafío para hacer al silicio viable en aplicaciones termoeléctricas. El objetivo de esta tesis es por lo tanto investigar el potencial del silicio como material termoeléctrico. Para ello se han empleado dos estrategias. La primera es nanoestructurar el silicio en forma de nanohilos o de capas finas nanoestructuradas. En este caso se mejoran las propiedades termoeléctricas del silicio gracias a las limitaciones dimensionales de las estructuras. Los nanohilos se han crecido gracias a una colaboración con el IREC, mientras que las capas nanoestructuradas se han desarrollado por completo en el marco de esta tesis. El segundo enfoque consiste en utilizar microestructuras de silicio. Como en este caso no se mejoran las propiedades termoeléctricas del material, el objetivo de esta estrategia es explorar si una mejora considerable en la gestión térmica del generador puede hacer viable al silicio. Para investigar estas tres estructuras se han fabricado varios dispositivos y micro-generadores termoeléctricos usando la tecnología de silicio. Además, se ha desarrollado también una metodología para poder integrar un disipador de calor en los micro-generadores termoeléctricos con el objetivo de maximizar su rendimiento. En el caso de las microestructuras y los nanohilos de silicio, se han fabricado y caracterizado micro-generadores termoeléctricos con disipador de calor bajo condiciones que imitan escenarios operativos reales. Se obtuvieron densidades de potencia dentro de los requerimientos del Internet de las Cosas (i.e. superiores a 10 µW/cm²) a temperaturas superiores a 175ºC, mientras que se alcanzaron potencias en el rango de los microvatios a temperaturas más moderadas (por encima de 100ºC). Además, se han medido las propiedades térmicas, eléctricas y el coeficiente de Seebeck de las capas finas nanoestructuradas usando dispositivos de test específicamente diseñados. Estas mediciones demostraron un incremento superior a 8 veces en la figura de mérito termoeléctrica en comparación con el silicio sin estructurar. Las capacidades de generación de voltaje se investigaron en micro-generadores termoeléctricos basados en capas finas nanoestructuradas. Se observó un aumento de 4.4 veces en el gradiente térmico que eran capaces de aprovechar en comparación con los mejores generadores basados en nanohilos. Estos resultados demuestran que las capas finas con nanoestructuras ofrecen una mejora significativa, tanto en las propiedades termoeléctricas como en la generación termoeléctrica, en comparación con la primera generación de nanoestructuras de silicio (i.e. los nanohilos).

Fecha de lectura	3 mar 2026
Idioma original	Inglés
Institución de lectura	Universitat Autònoma de Barcelona (UAB)
Supervisor	Iñigo Martin Fernandez (Director/a), Marc Salleras Freixes (Director/a) & Marta Fernandez Regulez (Director/a)