热电转换材料

1第二节热电转换材料•太阳辐射到地球的热可利用适当的材料进行热电转换加以利用.•热电转换材料还广泛应用于温度测量、制冷等方面.一.热电效应•热电效应：在用不同导体构成的闭合电路中，若使其结合部位出现温度差，则在此闭合电路中将有热电流流过，或产生热电动势，此现象称热电效应．•热电效应有三种：–塞贝克(Seebeck)效应–帕耳帖(Peltier)效应–汤姆逊(Thomson)效应．（一）塞贝克(Seebeck)效应：2•1821年塞贝克(T．J．Seebeck)发现当两种不同的金属A、B组成回路，且两接触点的温度不同时，在回路中产生电流，这称为塞贝克效应．•当两接触点的温差较小时，回路中的电动势EAB与温差有线性关系：EAB=SABTT－两接触点的温差，SAB－相对塞贝克系数，SAB=SA-SBSA、SB－金属A、金属B的绝对塞贝克系数．3–将回路断开，在断开处a、b间便出现一个电动势差，即V＝Vb-Va，其极性和量值与回路中的热电动势一致．（二）帕耳帖(Peltier)效应：•1834年帕耳帖(J.C.A.Peltier)发现，当两种不同金属组成回路并有电流(不管是热电流还是外加的电流）在回路中流过时，在两种金属的一个接点处放出热量，而在另一个接点处吸收热量．改变电流的方向，则吸、放热的接点也对调．这种效应称帕耳帖(Peltier)效应．它满足下式：QAB=ABIQAB－接点处吸收帕耳帖热的速率；AB－金属A和B间相对帕耳帖系数；I－通过的电流强度．AB=A-BA、B－分别是金属A和金属B的绝对帕耳帖系数．T1-TT2+TAB帕耳帖(Peltier)效应吸热放热4（三）汤姆逊(Thomson)效应1851年汤姆逊根据热力学理论，证明帕耳帖效应是塞贝克效应的逆过程．并预测，当具有温度梯度的一根均匀导体通过电流时，会产生吸热和放热现象．这就是汤姆逊(Thomson)效应．如右图：一根均匀的导体在某一点O加热至T2温度，两端点P1、P2点温度相同且为T1（图(a)）．如果这均一的导体构成回路（图(b)），当有电流通过时，则P1、P2点会出现温度差．设汤姆逊热效应产生的热吸收率为qA(对于导体A)，则P1OP2热流恒温槽T1T1T2热的传递P1OP2加热点单一导体T1-TT1+TT2a)b)a)均匀导体形成温度差；b)电流通过有温度差的导体产生吸热和放热汤姆逊(Thomson)效应5A－导体A的汤姆逊系数；dT/dx－导体温度梯度；j－电流密度．若电流方向与热流方向一致则放出热量(电流产生的焦耳热之外)，反之则吸热.•事实上，上述热电效应不仅存在于金属导体中，也存在于半导体中.•金属的热电效应较弱，半导体的热电效应显著．二.热电偶材料热电偶材料:利用热电转换效应将温度信号转换成电信号,从而实现温度测量的材料.•当A、B两种导体构成图5—5所示的回路时，按塞贝克效应当端点T1和T2的温度不同时，回路中产生热电势．根据热电势和温差的对应关系，测出电势即可得出温度.•热电极材料：构成热电偶的导体(或半导体)称为热电极材料．–性能要求：热电势大，热电势随温度呈单调函数变化，熔点高、抗高温氧化性和抗环境介质腐蚀，热电特性稳定，有良好的加工性能及机械强度等．dxdTjqAA6–热电极材料：•铂铑合金•NiCr10合金•康铜等．•热电偶:铂铑-铂,NiCr10-康铜,Fe-康铜等.三．热电转换材料热电转换材料：用于热电发电、热电制冷等方面的材料．–热电材料与其它能源转换相比成本高，效率低．但在一些特定场合和条件下，使用热电转换材料来获得能源十分必要．•热电转换元件工作原理：7•如下图：p型半导体材料的绝对塞贝克系数Sp为正值、n型半导体材料的绝对塞贝克系数Sn为负值，A端温度为Tc、B端温度为Th．回路中通过电流为I，电流由n型半导体流向p型半导体，由于帕耳帖效应在A端电极处吸热，在B端电极处放热.若保持电流、A端和B端温度不变，则该电热元件由A端连续不断的从对象中吸热，由B端放热，实现热电制冷.A端TcB端Th8•材料–当前使用和正在开发的热电转换材料（半导体），按使用温度分，主要有三类：•(1)低温区(300-400℃)：Bi2Te3、Sb2Te3、HgTe、Bi2Se3、Sb2Se3、ZnSb及它们的复合体.•(2)中温区(700℃):PbTe、SbTe、Bi(SiSb2)、Bi2(GeSe)3等.•(3)高温区(≥700℃)：CrSi2、MnSi1.73、FeSi2、CoSi等.–(一)Bi2Te3-Sb2Te3系化合物•Sb2Te3、Bi2Se3、Sb2Se3均属Bi2Te3化合物半导体，其晶体结构为菱面体点阵，属C33结构。这些化合物可互溶且有较大的互溶度.–(二)PbTe型化合物•PbTe系化合物既可作为合金，也可当作半导体。具有离子键结合的NaCl型晶体结构。该化合物的固溶范围很小.–(三)FeSi2型化合物•FeSi2化合物的晶体结构为四方点阵，该化合物的固溶范围很小，纯的FeSi2化合物是本征半导体.–上述(一)、（二）、（三）类化合物通过调整化学成分或掺杂可制成P型或N型半导体.9