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热电材料 thermalelectric meterials,现实意义 基本概念 研究现状,1,2,3,4,.热电材料研究的现实意义,1.能源问题推动了热电材料的研究（能源短缺）,2.能源利用率过低（ 提高空间很大） 利用热电材料制作的器件可以很好地利用废弃能源，提高能源利用率。,应用 （1）：热电制冷,针对半导体热电制冷器件，在我国慈溪、余姚等地区有很大的产业集群，如饮水机、小冰箱、酒柜等,应用（2）：热电发电,美国、德国、日本、韩国等汽车公司（ GM、 BMW、HONDA、大众、现代等）正在开展相关研发工作，可节省油耗5%；国内相关研究刚刚起步（上汽）,利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电，提高转换率；国家“973”计划、日本能源开发机构NEDO、美国DOE等均有所部署,聚光光伏太阳能辅助系统,利用燃烧热、地热、体表温差等热源，为野外作业、偏远山区、小型电器、植入式医疗器械等提供电能,.热电材料及热电效应,1. 什么是热电材料 热电材料（也称温差电材料，thermoelectric materials）是一种利用固体内部载流子运动，实现热能和电能直接相互转换的功能材料。, 什么是热电效应 热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。,1.热电材料介绍,Seebeck效应 1823年，德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应。 式中S为seebeck系数，它的大小和符号取决于两种材料的特性和两结点的温度。原则上讲，当载流子是电子时，冷端为负，S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端为负，S是正值。,Peltier效应 1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。,热电发热电 利用塞贝克效应,热电致冷 利用帕尔贴效应,(3)汤姆逊热效应 当电流通过一跟两端温度不同的导体（铅以外）时，若电流方向与热流方向一致则会放出热量（电流产生的焦耳热之外），反之则会吸热。,Zn, Cu等,碱金属，Co, Ni, Fe等,正汤姆逊热效应 Positive Thomson effect,负汤姆逊热效应 Negative Thomson effect,在热电同路中流过电流时，在存在温度梯度dT/ dx的导体上也将出现可逆的热效应，是放热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定热效应的大小QT (称为汤姆逊系数) 汤姆逊又将两种温差电热效应的系数与温差热电效应的塞贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式,2.热电器件工作原理,Seebeck效应,Peltier效应,Cronin B V. Semiconductors are cool. Nature. 2001, 413: 577578,热电发电,热电制冷,热电器件实物图,热电器件模型,绿色能源： 体积小 重量轻 结构简单 坚固耐用 无需运动部件 无磨损 无噪音 无污染,3.热电性能评价,优异热电性能： Seebeck系数大 电导率高 热导率低,增加,提高S,降低,4.提高热电性能的途径,Z=S2/,（1）热电材料的转机,（2）降低晶格热导率,.热电材料的研究现状,热电材料的研究进展,Chen G, et al. International Materials Reviews, 2003, 48(1):1-22. Venkatasubramanian, et,al. Nature (London) 413, 597 (2001).,Seebeck现象 主要是金属,Ioffe提出半导体 热电理论 Bi2Te3、PbTe SiGe,AgPb18SbTe20 NaCoO2、 Zn4Sb 方钴矿,量子点、 量子线、 超晶格等 低维热电材料,（年）,1821,1949,1990,2004,0.5,1.0,2.0,ZT,1834,1855,1997,高效热电材料与器件的研发既是相关产业发展需求， 也是热电材料科学技术自身发展的重大需求,学术上受到前所未有的关注,美国：未来5年研究开发计划 能源部（DOE ） 宇航局（NASA ） 国防部（DOD） 日本： 通产省和科学技术振兴机构（JST） 热电材料与工业余热发电技术 高效热电材料与太阳能热电转换技术 欧盟：从第六框架计划（FP6）开始，将热电材料列入“可再生能源技术” 予以重点支持,ZT 值： 2.0 转换效率h ： 20,目 标 ZT值： 2.0 效率h ：20,热电材料科学技术 相关新 能 源 技 术,重大突破,政府的关注和支持,目前主要热电材料体系,热电材料的制备方法,1.熔铸法,2.粉末冶金法,3.机械合金化法,4.真空镀膜方法,5.高温高压合成法,机械合金化法,将要合金化的的元素粉末混合后放入高能球磨机中，高能球磨机将高速转动所产生的机械能传递给元素粉末，通过回转过程中冷态下的挤压和反复破断，使之成为弥散分布的超微细颗粒子，然后在固态下实现合金，从而壁面了物质从液相到固相转变过程中成分偏析的现象，并且制成具有均匀细小组织的材料。均匀的元素分布对应着较高的电导率，细小的晶粒尺寸对应着较低的热导率，机械化合金法制备的材料将提高材料的热电性能。,热电材料研究的应用及瓶颈,国外研究,Dr Mildred Dresselhaus,Professors of MIT,Dr Gang Chen,Dr Z. F. Ren professor of physics at Boston College,Dr. J