& 热电材料的研究现状及发展趋势
热电材料的研究现状及发展趋势
摘 要：热电材料能够直接将电能和热能进行互相转化。由它制成的温差发电器不需要使用任何传动部件,工作时无噪音、无排弃物;和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样,对环境没有污染,是一种性能优越,具有广泛应用前景
【题　名】热电材料的研究现状及发展趋势
【作　者】况学成 宁小荣
【机　构】景德镇陶瓷学院,江西景德镇333001 佛山市华夏建筑陶瓷研究开发中心,广东佛山528061
【刊　名】佛山陶瓷,
2008(6): 34-40
【关键词】热电材料 温差发电 温差发电机 Seebeck系数 掺杂
【文　摘】热电材料能够直接将电能和热能进行互相转化。由它制成的温差发电器不需要使用任何传动部件,工作时无噪音、无排弃物;和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样,对环境没有污染,是一种性能优越,具有广泛应用前景的环境友好型材料。本文系统阐述了传统热电材料和新型热电材料的研究现状,介绍了各系列热电材料的热电性能及适用范围等,指明了其今后的发展方向。
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热电材料,温差发电,温差发电机,Seebeck系数,掺杂
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1热电材料研究的现实意义进入21世纪以来,随着全球环境污染和能源危机的日益严重,以及对人类可持续发展的广泛关注,开发新型环保能源替代材料已越来越受到世界各国的重视。(1)能源短缺随着全球工业化的进程,人类对能源消耗的需求不断增长,回顾近100年能源工业的发展历史,可以清楚地看到,整个能源工业的消耗主要以化石类能源为主。人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源,煤和石油作为能源的载体,极大地解放了生产力,推动了全球工业化的进程,同时也向人类敲响了警钟:常规能源己面临枯竭。由于常规能源的有限性和分布的不均匀性,造成了世界上大部分国家能源供应不足,不能满足其经济发展的需要。从长远来看,全球已探明的石油储量只能用到2020年,天然气也只能延续到2040年左右,即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此,如不尽早设法解决化石能源的替代能源,人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。(2)环境污染当前由于燃烧煤、石油等化石燃料,仅我...&
(本文共4页)
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世界能源需求的不断增长和化石能源日益枯竭,以及化石能源使用带来严重的环境污染等问题目前已经引起了全世界的广泛关注;保障可靠和廉价的能源供应,并实现能源使用的高效、环保和低碳成为各国政府能源政策的重中之重。因而,发展环境友好的、能利用可再生资源的新能源材料和能源转换技术,以及提高传统能源转换效率的新技术引起了世界各国的高度重视。其中,可实现热能和电能相互转换的热电转换技术(也称为温差发电技术)以及相关材料[1-5],可用于汽车尾气废热、工业余废热等的发电应用,有望大幅提高化石能源的利用效率,且具有环境友好的特点。近几十年来,这种新型能源材料和转换技术的研究受到我国和世界发达国家政府和科技工作者的高度关注。其中Mg2Si基热电材料是适用于500~900K的中温区热电材料,除了兼有其他热电材料结构简单、体积小、可靠性高外,还有其自身特有的特性,如Si、Mg的原料资源丰富、价格低廉、无毒无污染、抗氧化等,是很有发展潜力的热电材料,可以广...&
(本文共7页)
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1热电材料研究的现实意义进入21世纪以来,随着全球工业化的发展,人类对能源的需求不断增长,在近百年中,工业的消耗主要以化石类能源为主。人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源,常规能源已面临枯竭。全球已探明的石油储量只能用到2020年,天然气只能延续到2040年左右,煤炭资源也只能维持2300年左右。且这两种化石燃料,在使用时排放大量的CO2、SO2、NO、NO2等有害物质,严重污染了大气环境、导致温室效应和酸雨。引起全球气候变化,直接影响人类的身体健康和生活质量,严重污染水土资源。因此,开发新型环保能源替代材料已越来越受到世界各国的重视。2影响热电转换效率的因素及提高半导体材料热电性能的途径热电材料的性能取决于其热电优值Z[4],Z=S2σ/λ。所以热点性能的好坏主要由Seebeck系数(S)、热导率(λ)、电导率(σ)三个参数决定。S、σ、λ都是温度的函数。同时优值Z又敏感地依赖于材料种类、组分、掺杂水平和结构[5]...&
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随着世界经济的发展,全球的能源需求量逐渐增大,世界所面临的能源危机和环境污染两大问题也日益严重。目前市场上的热电发电器件的转化效率约为5%。Bi2Te3、PbTe、Si1-xGex等热电材料的ZT最大值只有1左右,而只有当ZT2的时候热电材料才有可能得到广泛的应用。近年来纳米结构的热电材料如超晶格、纳米线、量子点和纳米复合材料在热电优值ZT上有了很大的提高。本文将着重综述近几年来纳米尺寸或者说纳米结构的热电材料所取得的重大进展,并对热电性能提高的理论基础作出阐述。1热电材料研究进展1.1声子玻璃电子晶体类型的热电材料Slack提出了最佳热电材料的类型,即“声子玻璃电子晶体”,这种材料同时具备类似玻璃的热导率和类似晶体的电导率,一般来说,这种材料分布着着大量的由原子构成的笼状大型状孔隙,异质元素的原子以弱束缚状态存在于这些大型状孔隙中。异质原子在孔隙中能够产生一种居于化程度很大的非简谐振动,被称为“振颤子”,由于这种振动相对于晶体...&
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热电材料是一种将热能和电能直接相互转换的新型半导体功能材料,用不同组分的n型和p型热电体可组成半导体制冷和温差发电装置。与普通发电机或压缩制冷相比,半导体温差发电器或制冷器具有结构简单、无噪声、无污染、体积小、可靠性高及燃料适应性广等优点,可利用废热余热(如工业余热、地热、太阳能等)发电,可用作无污染、无噪声的制冷或发热系统,可用作宇宙及军用无噪声无振动发电装置,可以用作电子元器件的冷却装置;特别是小功率的发电或制冷等方面特别见长,具有其它方法无法实现的能力。目前,热电材料主要有4种类型:(1)温差电优值(Z·T)较高、最成熟且应用最广的热电材料为Te化合物热电材料,如BiTe、PbTe等,其室温Z·T约为1;但强度低,且易被毒化,影响了其实际应用和推广;(2)填隙Skutterudite热电材料,有较好的热电性能,其Z·T=(1.0～1.3),制备技术较难,成本较高,热导率较大;(3)近几年研究的硅化物新型热电材料,具有高的抗...&
(本文共4页)
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热电材料是一种将热能和电能直接转换的功能材料,在热电发电和制冷、恒温控制与温度测量等领域具有极为重要的应用前景。用热电材料制成的热电器件具有很多独特的优点,如结构紧凑、工作无噪音、无污染、安全不失效等,在一些尖端科技领域已获得了成功的应用。随着科技的发展,能源问题和环境问题成为人们越来越关心的热门话题,因此热电材料的研究又受到普遍的关注。它历经了一百多年的研究,但目前的热电材料其热电转换效率较低(6%～11%)[1]。正在应用以及研究较为成熟的热电材料主要是金属化合物及其固溶体合金如PbTe,SiGe,CrSi等,但这些热电材料具有制备条件要求较高,需在一定的气体保护下进行,不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点。20世纪90年代初日本学者发现,在室温下,NaCo2O4具有较高的热电势,同时有低的电阻率和低的晶格热导率,此类热电材料可以在氧化气氛里高温下长期工作,大多数无毒性、无环境污染,且制备简单,制样时在空气中可...&
(本文共6页)
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热能和电能是我们社会生活中最重要的能源形态,其中电能是各种形态能源中传输和使用最多、最为方便的一种。因此,许多能源形态、如太阳能、地热、风能、潮汐能、化学能等等都在其转变为电能之后才能更好、更为方便地被人们广为利用。目前使用的电能有很大一部分是由热能转换而来的,如热电厂、核电厂以及较大规模的太阳能电厂等。在这种能量转换中总是先利用热能加热液体或蒸汽,以驱动汽轮机发电。这个过程复杂、设备昂贵、易出问题、污染环境、能量转换效率低,造成能源浪费。另一方面,随着人民生活水平的提高,各种使用氟里昂作制冷剂制冷的电器走入人们的生活,如我们的日常生活中使用最多的要数冰箱和空调,他们在提高我们的生活质量的同时,也给我们带来了环境问题——空气污染、臭氧层变薄和噪声。随着地球上各类自然能源——石油、煤炭等的减少,越来越突显的能源危机威胁着人类未来的生存方式,世界各发达国家对未来能源的研究与开发都进行了巨大的投入。因此关于高效,又不污染环境的能源转换...&
(本文共3页)
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合肥研究院在热电材料研究方面取得进展
来源：合肥物质科学研究院&&
更新时间： 09:55:07
　　近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所秦晓英研究小组在热电材料研究方面取得积极进展。相关成果已发表在J.Mater. Chemisty A（768）及J.Mater. Chemisty C (45 - 7052)上。
　　热电材料可以将热能和电能进行直接转换而无需运动部件，也不排放任何有毒或温室气体；它可利用废热发电也可用于固态制冷。但目前热电材料的转换效率(用无量纲优值ZT表征)较低（&1），难以大规模商业应用。因此如何提高其ZT值是目前热电材料领域研究的焦点和重点。
　　&-Zn4Sb3是一种具有潜力的环境友好型高性能热电材料。通过诱导电子态密度(DOS)共振畸变是一种有效提高热电材料的热电势S并提升热电优值ZT的途径。秦晓英领导的研究组及其合作者最近的实验研究表明，稀土元素Gd掺杂引起&-Zn4Sb3费米能级附近DOS的共振畸变，表现为DOS有效质量的大幅增加；低温比热的测量证实了DOS共振畸变的发生；第一原理计算进一步揭示出，&-Zn4Sb3价带顶附近出现的态密度共振峰主要来自Gd原子中d轨道电子的贡献。
　　由于这种态密度共振畸变，使得&-(Zn1-xGdx)4Sb3 (x=0.002，0.003)的热电势增加了~40&VK-1，同时Gd掺杂导致x=0.002样品的热导率降低了约15%，最终使得&-(Zn1-xGdx)4Sb3 (x=0.002)样品的ZT值在655K达到了1.2，与未掺杂样品(ZT=0.75)相比提高了60％。此结果表明，Gd掺杂是一种引起DOS共振畸变、并有效提升&-Zn4Sb3热电性能的方法。此工作最近发表于J. Mater. Chemistry A (768)。
　　另外，BiSbTe是目前最好的室温附近的热电材料，也是唯一商业化应用的室温制冷热电材料。但如何提高其在100-200oC附近的热电性能以用于低级废热发电是极具挑战性和经济效益的课题。秦晓英领导的研究组及其合作者最近的研究表明，在BiSbTe基体中复合1vol.%Cu3SbSe4纳米颗粒以形成纳米复合材料。
　　除了约50%的晶格热导率降低外，由于异质结界面势的散射引起能量过滤效应使热电势率升高以及高温区迁移率降低的减缓，使得功率因子在476K时达到37mWcm-1K-2，而其ZT值达到1.6，它是目前报道的在该温区的最大值。此外，该材料在300K至500K的宽广温度范围内都具有高ZT值(如在300K ZT=1.0而在500K ZT=1.5)，使得该材料在低级废热回收应用上具有诱人的应用前景。该工作最近发表于J. Mater. Chemistry C( 45 - 7052)。
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热电材料研究获进展 性能得提升
近日，中科院大化所催化基础国家重点实验室姜鹏研究员、包信和院士团队（502组）在热电材料研究中取得新进展，采用高熵合金提高晶体结构对称性的策略，成功调控GeSe晶体结构，大幅度提高GeSe材料的热电性能。
热电技术能够实现热能与电能之间的相互转化，作为一种洁净能源转换方式，具有广阔的应用前景。但是，传统的高性能热电材料通常含有Bi、Pb、Te等价格昂贵、毒性高的元素，阻碍了其大规模应用。GeSe是一种潜在的环境友好的热电材料，理论预测其具有优异的热电性能，长期以来，由于缺少有效的掺杂方法，导致其载流子浓度和电导率都非常低，严重影响了其热电性能的提升。
该团队采用高熵合金提高结构对称性的策略，通过将GeSe与AgSbSe2合金化，成功实现了GeSe晶体结构由正交晶系向三方晶系的可控转化。研究表明，这种更高对称性的三方晶系结构具有高的载流子浓度多重能带，以及高的有效质量等特征，热电性能得到明显提高。GeAg0.2Sb0.2Se1.4的zT在710K能达到0.86，比正交结构的纯GeSe的zT值提高了18倍。该研究工作在表明GeSe基热电材料有很好的发展潜力的同时还发展出的通过高熵合金调控晶体结构有效提高热电性能的新方法，有望应用到其它热电材料体系中。
该研究工作得到国家自然科学基金和大连化物所自主部署基金的资助。
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