先進(jìn)熱電材料

 

熱電材料包含多種固體化合物，它們可以轉(zhuǎn)化熱能和電能。該特性引發(fā)了兩種不同的技術(shù)應(yīng)用：用于加熱和冷卻設(shè)備的溫度梯度開發(fā)以及從廢熱發(fā)電。

 

熱電材料的轉(zhuǎn)換效率與無量綱優(yōu)值有關(guān)，ZT（公式1）：

ZT = S²σT/κ

S = 塞貝克系數(shù)

σ = 電導(dǎo)率

κ = 熱導(dǎo)率

T = 絕對溫度 

 

塞貝克系數(shù)，或熱功率，是對每單位溫差產(chǎn)生的電壓量的一種度量，通常以μV/K表示。因此，獲得高品質(zhì)的熱電優(yōu)值需要保持高的電導(dǎo)率和大的熱功率，并同時(shí)限制熱導(dǎo)率。

 

如圖1所示，典型的熱電模塊包含串聯(lián)連接的n型和p型熱電材料。N型材料帶有電子載流子，并具有負(fù)的塞貝克系數(shù)；相反，p型材料具有正的塞貝克效率，并帶有空穴電荷載流子。在模塊上施加溫度梯度會使載流子向冷側(cè)擴(kuò)散，從而產(chǎn)生熱電電壓。

  

 

圖 1.典型熱電模塊的示意圖。n型（紅色）和p型（藍(lán)色）材料的小腿是串聯(lián)連接的，然后夾在陶瓷基板之間。在發(fā)電的情況下，熱量會被施加到模塊的一側(cè)，引起電荷載流子在模塊上的擴(kuò)散并產(chǎn)生電流。

 

ZT取決于模塊的工作溫度，并對所有溫度范圍下的原型材料在過去的幾十年中均保持在約為1。這些材料包括室溫（300 K）下使用的銻和碲化鉍、中等溫度（650 K）下的碲化鉛和方鈷礦銻化物，以及高溫（1000 K）下的硅鍺合金。

 

開發(fā)先進(jìn)熱電材料的主要挑戰(zhàn)之一是將S、σ和κ解耦，而它們通常是相互依賴的。一種解決方法是通過納米結(jié)構(gòu)減少晶格對熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)。載熱聲子可通過引入大量納米級的晶界而被分散。該方法已使得Bi-Sb-Te合金的ZT顯著提高。³ 在此項(xiàng)研究中，納米顆粒粉末是通過對大塊鑄錠進(jìn)行機(jī)械研磨而生成的。所得到得粉末通過在真空下高溫加壓而固結(jié)，從而產(chǎn)生了ZT約為1.5的塊狀樣品。PbTe-AgSbTe假二元系統(tǒng)中的相干納米包裹體相還產(chǎn)生了低熱導(dǎo)率和高ZT值（> 1）。這是通過生產(chǎn)一種本體基質(zhì)中含有納米級沉淀物的材料而實(shí)現(xiàn)的。⁴ 最后，具有定制電子結(jié)構(gòu)的熱電材料合成已顯示出喜人得結(jié)果，得到了ZT約為1.5的鉈取代PbTe。⁵

 

熱電材料的大規(guī)模合成通常通過標(biāo)準(zhǔn)的冶金技術(shù)進(jìn)行，例如粉末冶金和從高溫熔體合成。高純度的元素前體（見下面的列表）對于控制物理性能至關(guān)重要，因?yàn)殡s質(zhì)會對電導(dǎo)率和電荷載流子濃度產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，使用高純度起始材料可對最終材料的組成進(jìn)行一致且精確的控制，而這對于涉及到故意摻雜/取代以及電子能帶結(jié)構(gòu)的定制研究至關(guān)重要。

 

合成熱電材料的其他方法包括溶液相途徑，例如溶劑熱合成和多元醇還原途徑。這些過程在溶劑、表面活性劑和還原條件的選擇之間可能會存在巨大差異，但所有過程都集中于從金屬有機(jī)鹽和金屬鹵化物鹽，如硝酸鉍和乙酸鉛的陽離子溶液中沉淀出離散粉末。^6-7 合成熱電材料的化學(xué)途徑可直接到達(dá)納米級材料，同樣著重于將電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率去耦，并通過聲子散射降低熱成分。

 

對可靠能源的持續(xù)需求可通過發(fā)現(xiàn)新的可持續(xù)能源以及提高發(fā)電技術(shù)的效率而滿足。熱電材料是通向替代性能源的一種方法，并可通過將廢熱轉(zhuǎn)化為電能來顯著提高發(fā)動機(jī)循環(huán)的效率。這種節(jié)能方法也可能對回收汽車尾氣和電子設(shè)備的能量損失有用。

 

表1.用于熱電應(yīng)用的高純度金屬產(chǎn)品

 

 

參考文獻(xiàn)

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