热电材料的研究及其应用.ppt

1、热电材料的研究及其应用,摘要,热电材料是一种将热能和电能直接相互转换的功能材料。p型高锰硅（SiMnx, x=1.73-1.75）基热电材料和n型Mg2Si基硅系热电材料是有望成为中温区（300500）发电用的环境友好型热电材料。本课题选取本实验自制的高性能SiMnx基及Mg2Si基两种热电材料为基材，研制出热电发电器件模块，并系统研究硅系热电材料、电极材料及绝缘材料之间的界面状态及焊接方法对转换效率的影响，为高性能硅系热电发电器件的制备提供研究基础和依据,一、背景及研究意义,1.能源问题推动了热电材料的研究（能源短缺）,一、背景及研究意义,2.能源利用率过低（ 提高空间很大） 利用热电材料制

2、作的器件可以很好地利用废弃能源，提高能源利用率。,二、热电材料介绍,热电材料定义 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。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。,二、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，

3、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。,二、热电材料介绍,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。,二、热电材料介绍,热电材料性能表征,热电材料性能，可用无量纲优值Z T来描述,S：Seebeck系数 ：热导率 k ：电导 率 2 ：功率因子 P,二、热电材料介绍,增加,提高,降低,k=ke+kl,ke：电子热导率，kl：晶格热导率,半导体中kekl

4、,形成固熔体结构，通过点阵缺陷提高声子散射几率 通过热电材料中晶体结构中的孔隙位置填入杂质原子 通过细化晶粒增加晶界散射降低热导率 低维化利用纳米量子点增加热传导声子散射,提高热电性能的途径,Slack提出电子晶体声子玻璃(PEGS)假设， 并计算了热电优值上限为ZT 4,二、热电材料介绍热电材料的研究分类,处于研究中的热电材料： 合金体系 1.低温区材料（300400）：Bi2Te3, Sb2Te3, HgTe等及它们的固溶体； 2.中温区材料（700）：PbTe, Mg2Si， SbTe, Bi(SiSb2)，TAGS（Te-Al-Ge-Ag）等； 3.高温区材料（700）：CrSi2,

5、CoSb3等。 氧化物体系,优点,热电材料制作的热电器件,热电器件实物图,热电器件模型,三、热电材料的应用,发电,制冷,Seebeck效应,Peltier效应,应用实例,三、热电材料的应用,四、热电材料的研究现状与发展,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 纳米复合 低维热电材料,（年）,1821,1949,1990,2004 2011,0.5,1.0,2.0,ZT,1834,1855,四、热电材料的研究现状与发展,热电材料研究和应用的瓶颈 提

6、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。 近几年，研究如何降低晶格热导率，热电材料的低维化是一个热点趋势。,降低晶格热导率 晶格热导率是唯一一个不由电子结构决定的参数 (a) 低温时 （ 40 K） 处于激发态声子数量少，波长较长，声子散射弱 (b)

7、 高温时 （Debye温度以上） 比热Cv接近理想值3R Tm：材料的熔点；：密度； ：Grneisen常数 ：原子热震动振幅；A：原子平均重量,选择材料 材料的熔点越低， 晶格热导率越小 2. 原子平均质量越重， 晶格热导率越小 3. 密度越小，也就是 原子间距离越大， 晶格热导率越小,增加声子散射 合金化引入点缺陷（原子质量波动）如固溶体等散射短波长声子 晶界散射引入大量晶界如球磨、纳米结构、超晶格散射长波长声子 纳米尺度成分不均匀材料成分波动、界面应力等散射中程波长声子 增大晶格周期结构复杂、声子平均自由程缩短散射短波长声子 声子玻璃电子晶体声子衰减效应散射短波长声子,四、热电材料的研究

8、现状与发展,热电材料低维化,首先，热电材料低维化提高了费米能级附近的状态密度，导致载流子有效质量相应增加，因而Seebeck系数增大。,其次，由于声子的量子禁闭效应和多层界面声子散射的增加，导致低维热电材料的热导率降低。,最后，由于量子约束和调制掺杂等效应，提高了低维热电材料载流子的迁移率，从而提高热电优值。,四、热电材料的研究现状与发展,理论预言,四、热电材料的研究现状与发展, 二维超晶格 Hicks和Dresselhaus首先从理论上预测了超晶格量子阱结构对热电性能的影响。根据他们的计算，把Bi2Te3合金制备成超晶格量子阱结构时，热电性能将大幅度提高，预测的热电优值高达6.9。, 纳米复

9、合材料 通过纳米复合技术，比如把具有低热导率的材料与良好电性能的材料进行纳米复合，是提高热电材料的热电优值的一条新途径。最近，Dresselhause等从理论和实验两方面证明纳米复合技术能够提高热电性能。, 一维纳米结构 由于量子线比量子阱进一步提高了费米能级附近的状态密度，因此纳米线可能比超晶格薄膜具有更优异的热电性能。 Hicks和Dresselhause预测了Bi2Te3纳米线的热电优值，当纳米线横截面的边长为0.5 nm时，计算的热电优值高达14。,四、热电材料的研究现状与发展, 二维超晶格,Nature 413 (2001) 597.,J. Am. Chem. Soc. 129 (2007) 6702.,Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 3186.,四、热电材料的研究现状与发展, 纳米复合材料,Sb2Te3纳米晶 Science 320 (2008) 634.,Sb2Te3纳米晶 Science 320 (2008) 634.,Sb2Te3纳米晶 Nano Lett. 8 (200