热电材料研究进展.ppt

热电材料研究进展 研究生 孙言指导老师 蒋俊2011 10 27 现实意义基本概念研究现状预期目标 报告内容 热电材料研究的现实意义 1 能源短缺 环境污染 温室效应 2 应用 1 热电制冷 针对半导体热电制冷器件 在我市慈溪 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 thermoelectricmaterials 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 热电器件工作原理 Seebeck效应 Peltier效应 CroninBV Semiconductorsarecool Nature 2001 413 577 578 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 热电性能评价 优异热电性能 Seebeck系数大电导率高热导率低 热电材料的研究现状 热电材料的研究进展 ChenG etal InternationalMaterialsReviews 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 PbTeSiGe AgPb18SbTe20NaCoO2 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 主要的材料体系 高温 中温 低温 Bi2Te3 Sb2Te3适用于低温 在室温附近热电优值达到1 相应的热电转换效率约为7 8 被公认为是最好的热电材料 目前大多数热电制冷元件都是使用这类材料 PbTe体系适用于500 900K的中温 热电优值最大可达0 8 可用于温差发电 SiGe体系多用于900K以上 这类具有金刚石结构的材料的晶格热导率很高 因而热电优值很低 目前只是在卫星和空间站的温差发电系统比较常用 热电材料研究和应用的瓶颈 随着载流子浓度增加 和 均增加 却减小 合适的载流子浓度 尽量降低热导率 热电优值 seebeck系数 电导率 与载流子浓度和迁移率有关 热导率 包括声子热导和电子热导 ne e m k ke kL 掺杂 改变费米能级的位置 优化电输运性能 点缺陷 原子质量波动 增强声子散射 改善热电性能的途径 低维材料 量子限域效应 超晶格等 晶界散射 引入纳米结构 球磨 水热等 增强声子散射 降低晶格热导率 国外研究 DrMildredDresselhaus ProfessorsofMIT DrGangChen DrZ F RenprofessorofphysicsatBostonCollege 国外研究 Dr JeffreySnyderaFacultyatCaltech MercouriKanatzidisFromNorthwestUniversity 国内研究 陈立东教授上海硅酸盐研究所 唐新峰教授武汉理工大学 赵新兵教授浙江大学 我们的研究 Bi Te基热电材料 Bi2Te3的优势 重金属 分子量大 seebeck系数较大层状结构 各向异性 电导与热导比值相对较大层状结构 层间有利于实施掺杂改性 影响因素优化途径 通过成分设计与调控 优化载流子浓度 并使ZT峰值与工作温度相匹配 化学组成 显微结构 研究重点 如何优化ZT值 通过调节颗粒的尺度 形貌 定向分布 提高载流子迁移率并增强声子散射 从而提高 晶内第二相 晶界第二相 低维结构 纳米复合结构 特殊结构 三维笼状 二维层状 特殊原子基团 50nm 湿化学法 高能球磨 原位析出 块体材料中引入纳米结构 Science 2004 Science 2008 Adv Mater 2009 2011 Chem Mater 200