【《温差热电材料的发展概述》2300字】

温差热电材料的发展概述目录TOC\o"1-3"\h\u25949温差热电材料的发展概述 1278391.1温差热电材料的发展 182851.2常物性半导体温差热电材料性能参数 2230791.3变物性半导体温差热电材料性能参数 31.1温差热电材料的发展热电材料在具有一定温差的环境中，可以将热能转换为电能，具有绿色环保的特点，因此近年来受到许多学者的热捧，是当下研究的一个热点。随着热电材料三个可逆效应相继的被人们发现，热电关系就逐渐联系在了一起，成为了热力学热电理论的奠基石。虽然温差电技术经历了数十年的探索，但直到20世纪50年代约飞提出半导体可以作为温差发电转换能量的材料后，对半导体热电材料的探索才迅速发展起来。一直到60年代，有相当多热电性能优越的半导体、合金材料被发现，探索高热电性能的热电材料和制备方法将会成为材料领域的研究方向。如今，已经被大家广泛认可并且制备方法比较成熟的热电材料有如下类型：1.适宜在低温环境下工作的材料，热端温度在573K左右，其中Bi2Te3作为主要成分的材料，因为其热优值较高、性能较稳定及价格较实惠，所以研究的较多，本次毕业设计也是以Bi2Te3材料作为温差发电单元的电偶臂。2.中温区热电材料，热端温度在850K左右，目前可以知道，若是在GeTe中添加一定量的Bi，它的ZT值可以高达1.2。3.高温区热电材料，热端温度一般在1200K以上，因为对材料的性能要求较高，目前只有SiGe合金应用的场合更多。目前氧化类的热电材料普遍具有抗氧化

、耐高温

、不含有毒化学元素且价格低廉等优点

，也受到了广泛关注，其中，铋铜硒氧（BiCuSeO）就被认为是一种具有潜在应用前景的新型热电转换材料[26]。总体来说，要想提升温差发电装置的热电转换效率关键是提升热电材料的性能，就需要朝着降低热导率和提高赛贝克系数的方向前进。1.2常物性半导体温差热电材料性能参数优值系数Z的大小和热电材料性能的好坏密不可分，其单位为K-1，定义式如下：Z=式中α、ρ、λ、σ分别代表的是热电材料塞贝克系数、电阻率、热导率，电导率，单位分别为V/K、Ω·m、W/(m×K)、S/m。

从式子（2.9）可以知道，热电材料优值系数与塞贝克系数、热导率和电阻率这三个参数的取值密不可分。在选择热电材料时，要遵循以下原则：1.要选择赛贝克系数值较高的材料，因为这说明它将热能转换为电能的效率更高；2.要选择电阻率较低的材料，这样产生的焦耳热较少；3.要选择电导率较低的材料，这样可以减少材料间的热量交换，保证温差控制在一定范围内。式子（2.9）也可推导出无量纲优值ZT，它可以评判输出特性的好坏，具体的表达式为：ZT=αR=LNK=AN式中：T：绝对温度，单位：K；R：总电阻，单位：Ω；K：总热导，单位：W/A；

LP、LAP、AN：热电偶的截面积，单位：m2；

ρP、λP、λN：热导率，单位：W/(m×K)；

由表达式（1.11）和（RK=λpρ因为电阻率和热导率的数值均是正数，所以采用均值不等式可以推出R、K乘积的最小值为：RK≥λpρ当且仅当：λ也就是当S=λZmax=α表达式（1.10）~（1.15）说明了半导体温差发电装置性能的好坏与优值系数的大小呈正相关，要研制出发电性能较为优越的温差发电器件就需要尽可能改善热电材料的热电优值，因此探索高热电优值的材料是当前研究温差发电技术需要突破的一个难点。1.3变物性半导体温差热电材料性能参数由式（2.9）可以推出热电材料参数的取值会影响优值系数的大小，从而影响材料热电性能。在前一小节中，把这三个材料性能参数当作不随温度变化的常数看待，适用于常物性模型的分析中，实际环境中，这三个参数随着温度的变化而变化，了解它们随温度变化的具体规律，有利于深入研究温差发电技术。李春秀等学者，针对热电材料Bi2Te3提出了测试热电参数的方法，其中赛贝克系数采用了经典的微分法来测量，电阻率采用了两探针和四探针测量法，导热系数的测量采用瞬态法和稳态法，参考文献中的数据可以得出工作区间为t∈（0，300）℃时，N、P型热电材料的赛贝克系数曲线、电阻率曲线、导热系数曲线，如图2.5、2.6、2.7所示[27]。（a）P型热电材料赛贝克系数随温度变化的曲线（b）N型热电材料赛贝克系数随温度变化曲线图2.5热电材料Bi2Te3的赛贝克系数曲线（a）P型热电材料电阻率随温度变化曲线（b）N型热电材料电阻率随温度变化曲线图2.6热电材料Bi2Te3的电阻率曲线（a）P型热电材料导热系数随温度变化曲线（b）N型热电材料导热系数随温度变化曲线图2.7热电材料Bi2Te3的导热系数曲线 由图2.5、2.6、2.7可以知道，热电材料Bi2Te3的变物性参数值随着温度的变化而发生改变。当温度在0～300℃的区间内变化时，P型和N型材料的塞贝克系数都随温度的提升，呈现出先增大后减小的走向，可以估算出在200℃左右热电材料的赛贝克系数的绝对值均为最大值。P型和N型热电材料的电阻率都随着温度的增加呈现出非线性上升的趋势。材料的热导率都随温度的上升呈现先减小后增大