熱電材料簡介 141200008瞿曉丹 目錄 現實生活中的熱電材料熱電材料的基本概念我所現階段涉及的方面 相當淺顯 一 現實生活中的熱電材料1 熱電制冷 2 熱電發電 美國 德國 日本 韓國等汽車公司 GM BMW HONDA 大眾 現代等 正在開展相關研發工作 可節省油耗5 國內相關研究剛剛起步 上汽 利用高聚光太陽能在基板上產生的熱能發電 提高轉換率 國家 973 計劃 日本能源開發機構NEDO 美國DOE等均有所部署 利用燃燒熱 地熱 體表溫差等熱源 為野外作業 偏遠山區 器械等提供電能 1 什么是熱電材料 熱電材料 也稱溫差電材料thermoelectricmaterials 是一種利用固體內部載流子運動 實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料 二 基本概念 2 什么是熱電效應 熱電效應是電流引起的可逆熱效應和溫差引起的電效應的總稱 包括Seebeck效應 Peltier效應和Thomson效應 3 Seebeck效應 1 定義 塞貝克 Seebeck 效應 又稱作第一熱電效應 它是指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象 賽貝克電勢差V的計算公式 式中和為兩個不同材料的seebeck系數 2 Seebeck系數 S為seebeck系數公式為 它的大小和符號取決于兩種材料的特性和兩結點的溫度 原則上講 當載流子是電子時 冷端為負 S是負值 如果空穴是主要載流子類型 那么熱端為負 S是正值 3 利用seebeck效應 由熱生電 溫差發電材料 主要有ZnSb PbTe GeTe SiGe等合金材料 半導體溫差發電機的特點是 無噪聲 無磨損 無振動 可靠性高 壽命長 維修方便 易于控制和調節 可全天候工作 可替代電池 半導體溫差發電機的熱源 煤油 石油氣以及利用Pu238 sr90 Po210等放射性同位素 4 帕爾貼 Peltier 效應 1 定義 即電流通過兩個不同導體形成的接點時 接點處會發生放熱或吸熱現象 稱為Peltier效應 又稱第二熱電效應 當在兩個節點T1和T2輸入一個電壓Vin 回路中會產生一個相應的電流I 接頭A處的熱量會被吸收 從而產生一個微弱的制冷現象 在B處 隨著熱量的流入溫度升高 2 利用帕爾貼效應 由熱制冷 溫差致冷材料 主要是鉍 銻 硒 碲組成的固溶體 通常是由Bi Sb Te組成p型材料 Bi Se Te組成n型材料 目前 半導體致冷器所用材料是Bi2Te3 Sb2Te3 Bi2Se3及其固溶體 其優值系數z為2 3 10 3 5 湯姆遜 Tomson 效應 當電流在已經存在溫差的導體中流動時 熱量會被吸收或者被放出 而電流方向和溫差之間的相對關系決定了材料在這個過程中是吸收熱量還是放出熱量 這一現象 我們稱為湯姆遜效應 正湯姆遜熱效應PositiveThomsoneffect 銅 鋅等 負湯姆遜熱效應NegativeThomsoneffect 堿金屬 Co Ni Fe等 6 熱電性能評價 優異熱電性能 Seebeck系數大電導率高熱導率低 7 熱電材料的優點 沒有運動部件 熱電制冷器在工作的時候只用到電能 不會有任何運動的部件 這樣一來 它們基本上不需要維護保養 體積和重量很小 一個熱電制冷系統的體積和重量要遠遠小于相應的機械式制冷體系 除此之外 對于各種嚴格的應用要求 有各種標準的或特殊的尺寸和布局方式可供選擇 可以降溫到環境溫度以下 傳統的散熱器需要將溫度升高到環境溫度以上才可以使用 與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降低到環境溫度以下的能力 同一器件可以滿足升溫和降溫的要求 熱電制冷器可以通過調整加載的直流電流的方向 調整制冷或者加熱模式 應用這一特點就不必在給定體系內加入另外獨立的加熱或者制冷功能元件 精確的溫度控制 由于熱電制冷器具有一個閉路溫度控制循環 它可以在0 1 范圍內精確地控制溫度 高可靠性 由于全部為固態基構造 熱電制冷器具有很高的可靠性 盡管某種程度上與應用條件有關 但是典型熱電制冷器的壽命一般可以達到200 000小時以上 電子靜音 與傳統的機械式制冷器件不同 熱電制冷器在工作過程中基本上不會產生任何電子干擾信號 它可以與敏感的電子感應器相連接 并不會干擾其工作 另外 它在運行過程中也不會產生任何噪音 可以在任意角度下工作 熱電制冷器可以再任意角度和零重力狀態下工作 所以 在航天器械中應用非常廣泛 簡單方便的能源供給 熱電制冷器能夠直接使用直流電源 并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內變化 在許多條件下 還可以使用脈沖寬度調制 點制冷 應用熱電制冷器 可以做到對單獨的單元或者很小的區域進行制冷 因此可以避免冷卻整個封裝器件或外殼時可能造成的能源浪費 等等 三 我現階段所涉及的方面 皮毛 1 實驗部分BaSi2的制備計算稱量 電子稱 熔煉 真空電弧爐 XRD測熱電性能 PPMS 壓片 2 計算部分 軟件模擬 Linux