温差电材料范文

温差电材料范文温差电材料范文 温差电材料一 塞贝克与温差电材料托马斯 约翰 塞贝克 1770 年生于塔林 当时隶属于东普鲁士 现为爱沙尼亚首都 塞贝克的父亲是一个具有瑞典血统的德国人 也许正因为如此 他 鼓励儿子在他曾经学习过的柏林大学和哥廷根大学学习医学 1802年 塞贝克获得医学学位 由于他所选择的方向是实验医学中的物理学 而且一生中多半时间 从事物理学方面的教育和研究工作 所以人们通常认为他是一个物 理学家 1820年代初期 塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系 1821年德国物理学家塞贝克发现 由两种不同金属联接成的回路 当两个接点的温度不同时 回路中便出现电流 存在着温差电动势 这种现象称为温差电效应 这种装置称为温差电偶 塞贝克后来还对一些金属材料做出了测量 并对35种金属排成一个 序列 即Bi Ni Co Pd U Cu Mn Ti Hg Pb Sn Cr Mo Rb Ir Au Ag Zn W Cd Fe As Sb Te 并指出 当序列中的任意两种金属构成闭合回路时 电流 将从排序较前的金属经热接头流向排序较后的金属 为了纪念他的这一发现 这一现象被命名为塞贝克效应 Seebeck effect 又称作第一热电效应 这样的电路叫做温差电偶 这种情况下产生电流的电动势叫做温差 电动势 根据塞贝克的这一发现 一系列利用温度差 直接将热能转化为电 能的材料被人们陆续制备出来 这些材料就是温差点材料 主要用 于温差发电器和温差电池的制作 二 温差电材料产生塞贝克效应的机理产生Seebeck效应的机理 对 于半导体和金属是不相同的 1 半导体的Seebeck效应产生Seebeck效应的主要原因是热端的载 流子往冷端扩散的结果 例如p型半导体 由于其热端空穴的浓度较高 则空穴便从高温端向 低温端扩散 在开路情况下 就在p型半导体的两端形成空间电荷 热端有负电荷 冷端有正电荷 同时在半导体内部出现电场 当 扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时 即达到稳定状态 在半导 体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势 温差电动势 自然 p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端 Seeb eck系数为正 相反 n型半导体的温差电动势的方向是高温端指 向低温端 Seebeck系数为负 因此利用温差电动势的方向即可判 断半导体的导电类型 可见 在有温度差的半导体中 即存在电场 因此这时半导体的能 带是倾斜的 并且其中的Fermi能级也是倾斜的 两端Fermi能级 费米子 比如电子 在绝对0度时动量空间中 会处在能量最低的地 方 但是由于泡利不相容原理 每个态只能以有1个电子 所以电子 是从最低能量逐步填上来的 而不是全都挤在最低能级 当填了所 有电子之后 电子在动量空间分布成一个球 叫费米球 这个球的 半径所对应的能量就是费米能量 的差就等于温差电动势 实际上 影响Seebeck效应的因素还有两个第一个因素是载流子的能 量和速度 因为热端和冷端的载流子能量不同 这实际上就反映了半导体Fermi 能级在两端存在差异 因此这种作用也会对温差电动势造成影响 增强Seebeck效应 第二个因素是声子 因为热端的声子数多于冷端 则声子也将要从高温端向低温端扩散 并在扩散过程中可与载流子碰撞 把能量传递给载流子 从而加 速了载流子的运动 声子牵引 这种作用会增加载流子在冷端的积累 增强Seebeck效应 半导体的Seebeck效应较显著 一般 半导体的Seebeck系数为数百mV K 这要比金属的高得多 2 金属的Seebeck效应因为金属的载流子浓度和Fermi能级的位置 基本上都不随温度而变化 所以金属的Seebeck效应必然很小 一般 Seebeck系数为0 10mV K 虽然金属的Seebeck效应很小 但是在一定条件下还是可观的 实际 上 利用金属Seebeck效应来检测高温的金属热电偶就是一种常用的 元件 产生金属Seebeck效应的机理较为复杂 可从两个方面来分析 电子 从热端向冷端的扩散 然而这里的扩散不是浓度梯度 因为金属中的电子浓度与温度无关 所引起的 而是热端的电子具有更高的能量和速度所造成的 显然 如果这种作用是主要的 则这样产生的Seebeck效应的系数应 该为负 电子自由程的影响 因为金属中虽然存在许多自由电子 但对导电有贡献的却主要是Fer mi能级附近2kT范围内的所谓传导电子 而这些电子的平均自由程与遭受散射 声子散射 杂质和缺陷散射 的状况和能态密度随能量的变化情况有关 如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而增大的话 那 么热端的电子将由于一方面具有较大的能量 另一方面又具有较大 的平均自由程 则热端电子向冷端的输运则是主要的过程 从而将 产生Seebeck系数为负的Seebeck效应 金属Al Mg Pd Pt等即如 此 相反 如果热端电子的平均自由程是随着电子能量的增加而减小的 话 那么热端的电子虽然具有较大的能量 但是它们的平均自由程 却很小 因此电子的输运将主要是从冷端向热端的输运 从而将产 生Seebeck系数为正的Seebeck效应 金属Cu Au Li等即如此 三 温差电材料的应用由于半导体制成的温差电材料赛贝克效应较 强 热能转化为电的效率也较高 因此 温差电材料的应用一般就 是指半导体温差电材料 温差电材料技术的大规模研究始于20世纪40年代 于20世纪60年代 达到高峰 并成功地在航天器上实现了长时发电 美国自1961年起在二十多项空间任务中使用同位素温差发电器 Rad ioisotope ThermoelectricGenerator 英文缩写为RTG 做电源 这些同位素温差发电器的输出电功率从2 7W到300W 质量从2kg到34k g 最高效率已达6 7 最高质量比功率已达5 2W kg 设计寿命为5年 例如著名的阿波罗登月计划 飞向外层行星的旅游者 海盗号火星 着陆器 伽利略飞船等都使用了同位素温差发电器 RTG温差发电器1997年10月 美国成功地发射了探测土星的卡西尼行 星际飞船 有3个同位素温差发电器作电源 xx年1月 发射了探测冥王星的新视野号飞船 仅用1个RTG作电源 目前 这些同位素温差发电器的使用寿命都超过19年 有的已经工作 30多年 当时美国能源部的空间与防御动力系统办公室给出鉴定称 温差 发电已被证明为性能可靠 维修少 可在极端恶劣环境下长时间工 作的动力技术 左图为我国xx年设计的第三代沪版 月球车 面对月面极端环境 月球车需要极强的适应力 首先 月球没有大气层 温度变化由阳光直接决定 日间温度可达1 50摄氏度 夜间温度则会降至零下180摄氏度 仿佛 冰火两重天 为此 月球车专门配备热控系统 适时 吹冷气 供暖气 其次 月球自转一周是28天 长达14天的漫漫月夜 处于休眠期的 月球车无法靠太阳能帆板供电 这时 内置的 同位素温差电池 将用自己的 体温 为月球车保 暖供电 近几年来 温差发电不仅在军事和航天高科技方面大展宏图 而且 在民用方面也表现出了良好的应用前景 同位素温差发电器在地面和海洋开发中应用也日益增多 现已使用的同位素温差发电器功率范围在几毫瓦到数百瓦 上千瓦 主要用于灯塔 航标 海底声纳 海底微波中继站 自动气象站和 地震测试站电源 在低级热利用方面 温差发电器也很有前途 低级热 包括工业废热 垃圾燃烧热 汽车排气管的余热 太阳热 地热 海洋热能等 热源的温度范围宽广 采用温差发电技术大规模利用低级热 可以开发出结构简单 维护 少 而且是无公害的干净能源 很多专家认为 温差发电器利用这些热能 可直接产生低压大电流 如用于电解水制氢 是最好的低峰储能方式之一 当今世界温差能研究领域 美国与日本的技术最为先进 曾先后研 建了多个温差能电站 但都是示范性的 其中由美国太平洋高技术 研究国际中心在夏威夷研建开式循环温差能利用系统 目前保持着 世界温差能净输出功率40千瓦 50千瓦的最高记录 与国外相比 我国的温差能开发利用技术在示范规模和净输出功率 方面 还存在着明显的差距 20世纪80年代中期 我国广州能源研究所曾在实验室进行过开放式 温差能装置的模拟研究 1985年广州能源研究所开始对 雾滴提升循环 方法进行研究 198 9年在实验室实现了将雾滴提升到21米的高度记录 同时还对开式循 环过程进行了实验室研究 xx年 xx年 天津大学开展混合式温差能利用技术研究工作 并进行 了实验室试验工作 十一五 期间 我国启动了15千瓦闭式温差能电站关键技术研究 项目 总体来说 我国温差能开发利用技术仍处在关键技术研究阶段 还 未达到实际海况示范试验的水平 四 温差电材料发展趋势温差发电技术领域 极大部分努力都在提 高温差发电器的热电转换效率 对空间应用来说 非常重要的是提高其重量比功率 提高热电转换效率最主要的途径是提高温差电材料的优值 具体来说就是改善现有温差电材料的热电性能 研究新型温差电材 料 开发功能梯度温差电材料 以及降低温差电材料的维数 提高温差电材料的优值 增加了温差发电器的热电转换效率 最终 的结果 降低了温差发电器的成本 特别是RTG的成本 改善了温 差发电器的重量比功率 美国航天局 NASA 制定了空间核创新计划 开发先进的放射性同 位素电源系统和空间核反应堆电源系统 后来该计划更名为普鲁米修斯核电源和推进计划 计划目标是面对未来火星科学站网络 小型电推进器 具有