先進熱電材料

 

熱電材料包含多種固體化合物，它們可以轉化熱能和電能。該特性引發了兩種不同的技術應用：用于加熱和冷卻設備的溫度梯度開發以及從廢熱發電。

 

熱電材料的轉換效率與無量綱優值有關，ZT（公式1）：

ZT = S²σT/κ

S = 塞貝克系數

σ = 電導率

κ = 熱導率

T = 絕對溫度 

 

塞貝克系數，或熱功率，是對每單位溫差產生的電壓量的一種度量，通常以μV/K表示。因此，獲得高品質的熱電優值需要保持高的電導率和大的熱功率，并同時限制熱導率。

 

如圖1所示，典型的熱電模塊包含串聯連接的n型和p型熱電材料。N型材料帶有電子載流子，并具有負的塞貝克系數；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擴散，從而產生熱電電壓。

  

 

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

 

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。

 

開發先進熱電材料的主要挑戰之一是將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構減少晶格對熱導率的貢獻。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 在此項研究中，納米顆粒粉末是通過對大塊鑄錠進行機械研磨而生成的。所得到得粉末通過在真空下高溫加壓而固結，從而產生了ZT約為1.5的塊狀樣品。PbTe-AgSbTe假二元系統中的相干納米包裹體相還產生了低熱導率和高ZT值（> 1）。這是通過生產一種本體基質中含有納米級沉淀物的材料而實現的。⁴ 最后，具有定制電子結構的熱電材料合成已顯示出喜人得結果，得到了ZT約為1.5的鉈取代PbTe。⁵

 

熱電材料的大規模合成通常通過標準的冶金技術進行，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重要，因為雜質會對電導率和電荷載流子濃度產生負面影響。此外，使用高純度起始材料可對最終材料的組成進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構的定制研究至關重要。

 

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途徑可直接到達納米級材料，同樣著重于將電導率和熱導率去耦，并通過聲子散射降低熱成分。

 

對可靠能源的持續需求可通過發現新的可持續能源以及提高發電技術的效率而滿足。熱電材料是通向替代性能源的一種方法，并可通過將廢熱轉化為電能來顯著提高發動機循環的效率。這種節能方法也可能對回收汽車尾氣和電子設備的能量損失有用。

 

表1.用于熱電應用的高純度金屬產品

 

 

參考文獻

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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

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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