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热电研究及其应用

目录热电的研究背景热电的研究现状热电的理论研究热电的应用1.热电材料受到前所未有的关注热电的研究背景2.能源问题推动了热电材料的研究热电的研究背景3.环境污染和温室效应热电的研究背景热电的研究现状目前已发现的主要热电材料体系☆Bi2Te3/Sb2Te3体系☆PbTe体系☆SiGe体系研究相对成熟热电性能好温度覆盖范围合适☆CoSb3为代表的方钴矿型(Skutterudite)热电材料☆Zn4Sb3☆金属硅化物（如β-FeSi2、MnSi2、CrSi2等）☆NaCo2O4为代表的氧化物等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以上高温，但是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。热电的研究现状热电材料研究和应用的瓶颈热电的研究现状提高热电优值ZT的困难在于热电材料自身的Seebeck系数、电导率和热导率不是相互独立的，而是都取决于材料的电子结构以及载流子的传输特性。例如，当通过提高载流子浓度和载流子迁移率来提高电导率时，不仅会增大载流子对热传导的贡献，造成热导率增大，而且往往会降低Seebeck系数。正是由于这三个物理量不能同步调节，热电优值和热电转换效率很难大幅度提高，使得传统块状热电材料的推广应用面临巨大障碍。热电的理论研究热电材料的优点43251无任何噪音材料体积小无排放废物污染不需要传动部件性能可靠，寿命长热电的理论研究热电的理论研究热电效应热电效应是温差引起的电效应和电流引起的可逆热效应的总称。包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。热电的理论研究热电的理论研究热电的理论研究热电的理论研究热电的理论研究热电的理论研究热电的理论研究热电性能的研究提高功率因数PF=S2σ降低热导κ降低有效质量mI*合适的费米能级的位置（Edef)多谷能带结构（Nv）降低晶格热导κL热电的理论研究1、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），增强声子散射热电的理论研究2、研制功能梯度材料①载流子浓度梯度热电材料沿着材料的长度方向载流子浓度被优化，以使材料的每一部分在各自工作温度区达到最大的优值。②分段复合梯度热电材料由不同材料连接构成，每段材料工作在其最佳温度区。热电的理论研究3、纳米化多晶，层状化合物或者薄膜以及纳米颗粒中，用离子半径相似的重元素代替以提高ZT值。尤其以纳米化较有前途。热电的理论研究纳米化的三个优点热电的理论研究3.氧化物热电的应用热电材料在制冷上的应用热电制冷原理图过程解析图美国、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）聚光光伏太阳能辅助系统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在发电上的应用放射性同位素供热的热电发电器是太空探测器目前惟一的供电系统。热电发电的工作原理

PowerGenerationMode由于高温端的热激发作用较强,此端的空穴和电子浓度比低温端高,在这种载流子浓度梯度的驱动下,空穴和电子向低温端扩散,从而在低温开路端形成电势差。能开发自身供能的电源系统3热电发电的特点热电在医疗上的应用半导体制冷运血箱制冷和制热；抗震性强；重量轻，适合携带；无污染。冷敷仪采用半导体制冷技术为制冷源制造的冷敷仪可在5min内从室温降低到40C,而且连续运转并保持低温，降低护理人员的工作量。冷冻切片机冷冻速度快、温度低、操作简单方便，切片速度快，切片质量高。呼吸机半导体制冷气泵体积小、结构简单、无噪声，冷凝速度快，冷凝效率高等，广泛应用于高档呼吸机气泵中。例如西门子呼吸机。Nd:YAG激光手术器半导体制冷技术的Nd:YAG激光技术器，体积小、重量轻、使用方便、连续工作时间长等，还具有完善的温控报警装置。氧化物热电材料的应用氧化物热电材料的特点热电在其它方面的应用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转化效率高提高热电性能方法EnhancepowerfactorLowthermalconductivity降低热导的方法利用材料的结构：方钴矿中填充原