热电材料技术概况

热电材料技术概况
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。

1834 年,法国物理学家佩尔捷发现了热电效应,即将不同材料的导体连接起 来,并通入电流,在不同导体的接触点——结点,将会吸收或放出热量。1838 年, 俄国物理学家楞次做出了更具显示度的实验:用金属铋和锑构成结点,当电流沿某 一方向流过结点时,结点上的水就会凝固成冰;如果反转电流方向,在结点上凝成 的冰又会立即熔化成水。

尽管当时科学界对佩尔捷和楞次的发现十分重视,但由于金属的热电转换效率 很低,其发现并没有很快转化为实际应用。直到 20 世纪 50 年代,一些具有优良热 电转换性能的半导体材料被发现,热电制冷和热电发电技术才成为热门研究课题。


热电发电技术发展概况

所谓热电发电,就是利用废汽热、废水热、废火热、太阳热等的“余热”,以及 半导体的温差电动势较大的特征,运用热电第一效应(塞贝克效应,即 Seebeck 效应),将热能直接转换成电能的一种发电方式。
将两种不同类型的热电转换材料 N  P 的一端结合并将其置于高温状态,另一 端开路并给以低温时,由于高温端的热激发作用较强,空穴和电子浓度也比低温端 高,在这种载流子浓度梯度的驱动下,空穴和电子向低温端扩散,从而在低温开路 端形成电势差。若将多组 P 型和 N 型热电材料连接起来组成模块,即可得到足够高的电压,形成一个热电发电机。

按使用的热源分类,热电发电器可分为放射性同位素热电发电器、核反应堆热 电发电器、烃燃料热电发电器、低级热热电发电器等。而低级热热电发电器,将各 种形式的低温热能(包括余热、废热)直接转换成电能的热电发电器,其热面工作 温度一般在 400℃以下,使用的典型温差电材料是碲化铋(Bi2Te3)。另外,还有两种低维热电材料具有良好的应用前景,一种是 CsBi4Te6,其实际 上就是填隙的 Bi2Te3,另一种是硒(Se)掺杂的 HfTe5,在 T<220K 的温区,其泽 贝克系数α远远超出了 Bi2Te3

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