热电材料

热电材料thermalelectricmeterials现实意义基本概念研究现状1234Ⅰ.热电材料研究的现实意义1.能源问题推动了热电材料的研究（能源短缺）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。应用（1）：热电制冷针对半导体热电制冷器件，在我国慈溪、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Ⅱ.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，thermoelectricmaterials）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.热电材料介绍(1)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。(2)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。热电发热电利用塞贝克效应热电致冷利用帕尔贴效应(3)汤姆逊热效应当电流通过一跟两端温度不同的导体（铅以外）时，若电流方向与热流方向一致则会放出热量（电流产生的焦耳热之外），反之则会吸热。Zn,Cu等碱金属，Co,Ni,Fe等正汤姆逊热效应PositiveThomsoneffect负汤姆逊热效应NegativeThomsoneffect在热电同路中流过电流时，在存在温度梯度dT/dx的导体上也将出现可逆的热效应，是放热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定热效应的大小ΔQT(μ称为汤姆逊系数)汤姆逊又将两种温差电热效应的系数与温差热电效应的塞贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式2.热电器件工作原理HeatSourceHeatSinkIPNActiveCoolingHeatRejectionIPN(a)PowerGenerationMode(b)CoolingModeSeebeck效应Peltier效应CroninBV.Semiconductorsarecool.Nature.2001,413:577~578热电发电热电制冷HeatSourceー＋P-typeelementN-typeelementCeramicplateHeatSink热电器件实物图热电器件模型绿色能源：1.体积小2.重量轻3.结构简单4.坚固耐用5.无需运动部件6.无磨损7.无噪音8.无污染3.热电性能评价优异热电性能：Seebeck系数大电导率高热导率低增加σ提高S降低κ晶体的结构化学成分能带结构4.提高热电性能的途径Z=S2σ/κ（1）热电材料的转机（2）降低晶格热导率Ⅲ.热电材料的研究现状热电材料的研究进展ChenG,etal.InternationalMaterialsReviews,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Bi2Te3、PbTeSiGeAgPb18SbTe20NaCoO2、Zn4Sb方钴矿量子点、量子线、超晶格等低维热电材料（年）18211949199020040.51.02.0ZT183418551997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目前主要热电材料体系热电材料的制备方法1.熔铸法2.粉末冶金法3.机械合金化法4.真空镀膜方法5.高温高压合成法机械合金化法将要合金化的的元素粉末混合后放入高能球磨机中，高能球磨机将高速转动所产生的机械能传递给元素粉末，通过回转过程中冷态下的挤压和反复破断，使之成为弥散分布的超微细颗粒子，然后在固态下实现合金，从而壁面了物质从液相到固相转变过程中成分偏析的现象，并且制成具有均匀细小组织的材料。均匀的元素分布对应着较高的电导率，细小的晶粒尺寸对应着较低的热导率，机械化合金法制备的材料将提高材料的热电性能。热电材料研究的应用及瓶颈国外研究DrMildredDresselhausProfessorsofMITDrGangChenDrZ.F.RenprofessorofphysicsatBostonCollegeDr.JeffreySnyderaFacultyatCaltech.MercouriKanatzidisFromNorthwestUniversity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