热电材料的研究及其应用课件

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,#,Click to edit Master title style,热电材料的研究及其应用,热电材料的研究及其应用,1,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（,SiMn,x, x=1.73-1.75,）基热电材料和,n,型,Mg,2,Si,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,SiMn,x,基及,Mg,2,Si,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,摘要 热电材料是一种将热能和电能直接相互转换的,2,一、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 1.能源问题推动了热电材料,3,一、背景及研究意义,2.,能源利用率过低（ 提高空间很大）,利用热电材料制作的器件可以很好地利用废弃能源，提高能源利用率。,一、背景及研究意义2.能源利用率过低（ 提高空间很大）,4,二、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 热电材料定义,5,二、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，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 Seebeck效应,6,二、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Peltier效应www.themegall,7,二、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、热电材料介绍热电材料性能表征 热电材料性能，可用无,8,二、热电材料介绍,增加,提高,降低,晶体的结构,化学成分,能带结构,k,=k,e,+k,l,ke,：电子热导率，,k,l,：晶格热导率,半导体中,k,e,k,l,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、热电材料介绍增加提高降低晶体的结构化学成分,9,二、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（,300,400,）：,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, CoSb3,等。,氧化物体系,层状金属氧化物：,NaCo,2,O,4,Ca,3,Co,4,O,9,钙钛矿复合型氧化物,RMnO,3,RCoO,3,CaTiO,3,SrTiO,3,透明导电氧化物（,TCO,）,ZnO,基，,iO,基,SnO,2,基,In,2,O,3,基,耐高温,抗氧化,使用寿命长,环境友好,制备工艺简单,品种多,优点,10,热电材料制作的热电器件,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,无运动部件、无噪声,易于控制、可靠性高,容易微型化,寿命长,三、热电材料的应用,热电材料制作的热电器件Heat SourceP-type,11,发电,制冷,Seebeck,效应,Peltier,效应,应用实例,三、热电材料的应用,发电制冷Seebeck效应Peltier效应 应用实例三、热,12,四、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,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,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 Seebeck现象I,13,四、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。,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,14,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),高温时 （,Debye,温度以上）,比热,C,v,接近理想值,3R,T,m,：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、热电材料的研究现状与发展,降低晶格热导率选择材料增加声子散射四、热电材料的研究现状与,15,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。,PbSe,Sb,2,Te,3,Sb,2,Te,3,四、热电材料的研究现状与发展,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,16,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,Bi,2,Te,3,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,Bi,2,Te,3,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,。,理论预言四、热电材料的研究现状与发展 二维超晶格,17,四、热电材料的研究现状与发展,二维超晶格,Nature,413 (2001) 597.,Science,297 (2002) 2229.,PbSeTe/PbTe,超晶格结构,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 二维超晶格Natu,18,四、热电材料的研究现状与发展,纳米复合材料,Sb,2,Te,3,纳米晶,Science,320 (2008) 634.,Sb,2,Te,3,纳米晶,Science,320 (2008) 634.,Sb,2,Te,3,纳米晶,Nano Lett.,8 (2008) 2580,.,Sb,2,Te,3,纳米晶,Nano Lett.,8 (2008) 2580,.,SiGe,纳米晶,Nano Lett.,8 (2008) 2580,.,四、热电材料的研究现状与发展 纳米复合材料Sb2,19,四、热电材料的研究现状与发展,一维纳米结构,PbS,PbSe,PbTe,Adv. Mater.,19 (2007) 3047.,相比于大块材料，这些纳米线的热导率减小可达,2,到,3,个数量级,Nature,451 (2008) 168,.,Si,纳米线,Nature,451 (2008) 163.,Si,纳米线,Sb,2,Te,3,纳米线,Adv. Mater.,18 (2006) 496.,四、热电材料的研究现状与发展一维纳米结构PbSPbSePb,20,Thank You !,Thank You !,21,