先进热电材料

 

热电材料包含多种固体化合物，它们可以转化热能和电能。该特性引发了两种不同的技术应用：用于加热和冷却设备的温度梯度开发以及从废热发电。

 

热电材料的转换效率与无量纲优值有关，ZT（公式1）：

ZT = S²σT/κ

S = 塞贝克系数

σ = 电导率

κ = 热导率

T = 绝对温度 

 

塞贝克系数，或热功率，是对每单位温差产生的电压量的一种度量，通常以μV/K表示。因此，获得高品质的热电优值需要保持高的电导率和大的热功率，并同时限制热导率。

 

如图1所示，典型的热电模块包含串联连接的n型和p型热电材料。N型材料带有电子载流子，并具有负的塞贝克系数；相反，p型材料具有正的塞贝克效率，并带有空穴电荷载流子。在模块上施加温度梯度会使载流子向冷侧扩散，从而产生热电电压。

  

 

图 1.典型热电模块的示意图。n型（红色）和p型（蓝色）材料的小腿是串联连接的，然后夹在陶瓷基板之间。在发电的情况下，热量会被施加到模块的一侧，引起电荷载流子在模块上的扩散并产生电流。

 

ZT取决于模块的工作温度，并对所有温度范围下的原型材料在过去的几十年中均保持在约为1。这些材料包括室温（300 K）下使用的锑和碲化铋、中等温度（650 K）下的碲化铅和方钴矿锑化物，以及高温（1000 K）下的硅锗合金。

 

开发先进热电材料的主要挑战之一是将S、σ和κ解耦，而它们通常是相互依赖的。一种解决方法是通过纳米结构减少晶格对热导率的贡献。载热声子可通过引入大量纳米级的晶界而被分散。该方法已使得Bi-Sb-Te合金的ZT显著提高。³ 在此项研究中，纳米颗粒粉末是通过对大块铸锭进行机械研磨而生成的。所得到得粉末通过在真空下高温加压而固结，从而产生了ZT约为1.5的块状样品。PbTe-AgSbTe假二元系统中的相干纳米包裹体相还产生了低热导率和高ZT值（> 1）。这是通过生产一种本体基质中含有纳米级沉淀物的材料而实现的。⁴ 最后，具有定制电子结构的热电材料合成已显示出喜人得结果，得到了ZT约为1.5的铊取代PbTe。⁵

 

热电材料的大规模合成通常通过标准的冶金技术进行，例如粉末冶金和从高温熔体合成。高纯度的元素前体（见下面的列表）对于控制物理性能至关重要，因为杂质会对电导率和电荷载流子浓度产生负面影响。此外，使用高纯度起始材料可对最终材料的组成进行一致且精确的控制，而这对于涉及到故意掺杂/取代以及电子能带结构的定制研究至关重要。

 

合成热电材料的其他方法包括溶液相途径，例如溶剂热合成和多元醇还原途径。这些过程在溶剂、表面活性剂和还原条件的选择之间可能会存在巨大差异，但所有过程都集中于从金属有机盐和金属卤化物盐，如硝酸铋和乙酸铅的阳离子溶液中沉淀出离散粉末。^6-7 合成热电材料的化学途径可直接到达纳米级材料，同样着重于将电导率和热导率去耦，并通过声子散射降低热成分。

 

对可靠能源的持续需求可通过发现新的可持续能源以及提高发电技术的效率而满足。热电材料是通向替代性能源的一种方法，并可通过将废热转化为电能来显著提高发动机循环的效率。这种节能方法也可能对回收汽车尾气和电子设备的能量损失有用。

 

表1.用于热电应用的高纯度金属产品

 

 

参考文献

1.Snyder GJ, Toberer ES. 2008. Complex thermoelectric materials. Nature Mater. 7(2):105-114. http://dx.doi.org/10.1038/nmat2090

2.Sootsman J, Chung D, Kanatzidis M. 2009. New and Old Concepts in Thermoelectric Materials. Angew. Chem. Int. Ed.. 48(46):8616-8639. http://dx.doi.org/10.1002/anie.200900598

3.Poudel B, Hao Q, Ma Y, Lan Y, Minnich A, Yu B, Yan X, Wang D, Muto A, Vashaee D, et al. 2008. High-Thermoelectric Performance of Nanostructured Bismuth Antimony Telluride Bulk Alloys. Science. 320(5876):634-638. http://dx.doi.org/10.1126/science.1156446

4.Hsu KF. 2004. Cubic AgPbmSbTe2+m: Bulk Thermoelectric Materials with High Figure of Merit. Science. 303(5659):818-821. http://dx.doi.org/10.1126/science.1092963

5.Heremans JP, Jovovic V, Toberer ES, Saramat A, Kurosaki K, Charoenphakdee A, Yamanaka S, Snyder GJ. 2008. Enhancement of Thermoelectric Efficiency in PbTe by Distortion of the Electronic Density of States. Science. 321(5888):554-557. http://dx.doi.org/10.1126/science.1159725

6.Dirmyer MR, Martin J, Nolas GS, Sen A, Badding JV. 2009. Thermal and Electrical Conductivity of Size-Tuned Bismuth Telluride Nanoparticles. Small. 5(8):933-937. http://dx.doi.org/10.1002/smll.200801206

7.Anderson ME, Bharadwaya SSN, Schaak RE. 2010. Modified polyol synthesis of bulk-scale nanostructured bismuth antimony telluride. J. Mater. Chem.. 20(38):8362. http://dx.doi.org/10.1039/c0jm01424a