热电材料研究进展-课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,热电材料研究进展,研 究 生：孙 言,指导老师：蒋 俊,2011-10-27,热电材料研究进展 研 究 生：孙 言,现实意义,基本概念,研究现状,预期目标,报告内容,现实意义报告内容,.,热电材料研究的现实意义,.热电材料研究的现实意义,1.,能源短缺、环境污染、温室效应,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,2.应用（1）：热电制冷针对半导体热电制冷器件，在我市慈,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,应用（2）：热电发电美国、德国、日本、韩国等汽车公司（GM,.,热电材料及热电效应,.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，,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。,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。,1.什么是热电材料 什么是热电效应,热电器件工作原理,Heat Source,Heat Sink,I,P,N,Active Cooling,Heat Rejection,I,P,N,(,a)Power Generation Mode,(,b)Cooling Mode,Seebeck,效应,Peltier,效应,Cronin B V.Semiconductors are cool.,Nature,.2001,413:577578,热电发电,热电制冷,热电器件工作原理Heat SourceHeat SinkIP,Heat Source,P-type element,N-type element,Ceramic,plate,Heat Sink,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,Heat SourceP-type elementN-t,热电性能评价,材料热电性能,赛贝克系数,电导率,热导率,优异热电性能：,Seebeck,系数大,电导率高,热导率低,热电性能评价材料热电性能赛贝克系数电导率热导率优异热电性能：,.,热电材料的研究现状,.热电材料的研究现状,热电材料的研究进展,Chen G,et al.,International Materials Reviews,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,Bi,2,Te,3,、,PbTe,SiGe,AgPb,18,SbTe,20,NaCoO,2,、,Zn,4,Sb,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,热电材料的研究进展Chen G,et al.Intern,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,高效热电材料与器件的研发既是相关产业发展需求，,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,美国：未来5年研究开发计划 ZT 值：,主要的材料体系,SiGe,体系,PbTe,体系,Bi,2,Te,3,/Sb,2,Te,3,体系,Skutterudite,复杂氧化物,金属硅化物,高温,中温,低温,Bi,2,Te,3,/Sb,2,Te,3,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,78,），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,500900 K,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,900 K,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。,主要的材料体系SiGe体系PbTe体系Bi2Te3/Sb2T,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）,热电材料研究和应用的瓶颈随着载流子浓度增加，合适的载,=n,e,=e,/m*,k,=,k,e,+,k,L,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,=ne k=ke+kL 掺杂：,国外研究,Dr Mildred Dresselhaus,Professors of MIT,Dr Gang Chen,国外研究Dr Mildred DresselhausProf,Dr Z.F.Ren,professor of physics at Boston College,国外研究,Dr.Jeffrey Snyder,a Faculty at Caltech.,Mercouri Kanatzidis,From Northwest University,Dr Z.F.Ren国外研究Dr.Jef,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,国内研究 陈立东教授 唐新峰教授赵新兵教授,.,我们的研究,.我们的研究,Bi-Te,基热电材料,Bi,2,Te,3,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,Bi-Te基热电材料 Bi2Te3的优势重金属，分子量大，s,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,/,影响因素 优化途径 通过成分设计与调控，,性能显著提升！,50-60%,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.(2009-2011);Nano Letter(2009-2011),主要研究思路,性能显著提升！50-60%晶内第二相晶界第二相低维结构纳米复,ZEM-3,PPMS-9,Melting Furnace,ZM Furnace,HP Furnace,Sealing,Equipments in NIMTE,ZEM-3PPMS-9Melting FurnaceZM F,敬请指导！,敬请指导！,