碲化铋热电材料

1、铋系热电材料概述：

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。

其中发展新型的、环境友好的可再生能源及能源转换技术引起了世界发达国家的高度重视。热电半导体是采用热电效应将热能和电能进行直接转换的一种无污染的绿色能源产品。其中温差发电是利用热电材料的Seebeck效应, 将热能直接转化为电能, 不需要机械运动部件, 也不发生化学反应。热电制冷是利用Peltier效应, 当电流流过热电材料时, 将热能从低温端排向高温端, 不需要压缩机, 也无需氟利昂等致冷剂。因而这两类热电设备都无振动, 无噪音, 也无磨损, 无泄漏, 体积小, 重量轻, 安全可靠寿命长, 对环境不产生任何污染, 是十分理想的电源和制冷器。于是美国能源部、日本宇宙航天局等发达国家的相关部门都将热电技术列入中长期能源开发计划, 我国也将热电列入国家重点基础研究发展计划(973)的大规模发展的新能源计划中。在21世纪全球环境和能源条件恶化、燃料电池又难以进入实际应用的情况下, 热电技术更成为引人注目的研究发展方向。热电半导体行业在全球来说作为一个新兴行业,每年以超过1倍的速度增长。目前, 已经商用的热电行业的原料最主要的是Bi2Te3基热电半导体材料。

商业化的B i2Te3基热电半导体材料以炼铜行业的副产物铋、碲、硒等为原料, 按一定的配比和特殊的掺杂经定向生长得到Bi2Te3 基热电半导体晶棒。热电半导体产业化可将提纯制造为主原料的产业将延伸至目前国际上最为热门的新材料、新能源高新产业, 这对于提升稀缺原料附加值, 发展高技术材料加工运用技术具有十分重要的意义。

温差发电是Seebeck效应在发电技术方面的应用, 而材料的ZT值决定了其发电效率。在低品位废热< 400℃在回收利用范围上, Bi2Te3基热电材料的ZT值是最高的，其优值系数可高达3×10-3~6×10-3K-1，也是工业化最为成熟的。

2、热电半导体的应用现状及前景

加快半导体热电器件的进一步开发和运用, 不仅有利于解决能源危机和环保问题, 还将大大改善人类的生活质量, 是人类文明进步的标志之一。日常用品、医疗卫生、航天航空和军事是热电致冷的最大市场, 废热回收利用是热电发电的最大市场, 以上两项也是热电半导体器件的目标市场。从当前情况看, 热电半导体无论是致冷还是废热回收发电已经呈现出初步繁荣的景象。

在国内, 中科院物理所半导体室于50年代末60年代初开始半导体致冷技术研究, 是当时在国际上也是比较早的研究单位之一。60年代中期, 热电半导体材料的性能达到了国际水平, 60年代末至80年代初是我国半导体致冷器技术发展的一个台阶。在此期间, 一方面半导体致冷材料的优值系数提高,另一方面拓宽其应用领域, 因而才有了现在的半导体致冷器的生产及其次产品的开发和应用。在中科院热电技术的推广及产业化下, 目前我国半导体致冷技术已具备较高的水平, 在中低端半导体致冷产业已发展形成规模化产业, 年产致冷片100万件以上。但依据客户需求设计批量生产最大致冷温差高的微型和多级器件、最大致冷

温差稳定在68℃以上的普通器件的高端致冷产品, 只有极少数一二家国内企业能够达到。

国外专门从事半导体致冷器生产的厂家以MARLOW, MELCOR, KOMATU S ELECTRON ICS三家公司最具代表性。其产品主要运用于国防、科研、工农业、气象、医疗卫生等领域得到了广泛应用, 用于仪器仪表、电子元件、药品、疫苗等的冷却、加热和恒温。同时西方国家还发展了各种便携式的热电致冷器、小冰箱和经济食品箱等。目前如何制备高温差的普通器件, 根据客户需求制备微型化和优化的多级致冷器是国外致冷行业的技术发展趋势。如何掌握行业领先的半导体热电致冷技术, 根据客户需求开发新的产品, 发展高附加值的高端致冷产品是国内外致冷行业的技术发展趋势。随着能源供应日益紧张的条件下, 如何对废热进行回收利用已成为一项重要的课题, 人们开始意识到利用低品味和废热进行发电对解决环境和能源问题的重要性。半导体热电发电的特点特别适合对低品位能源的回收利用。就技术角度看, 余热温度越低, 利用的技术难度越大。利用热电转换发电, 则不受温度的限制, 有可能利用温度低于400K。温差仅几十度的低温余热, 因此, 热电转换的潜力是很大的。这些废热包括工厂的低温余热、垃圾焚烧热、汽车尾气、自然热等。随着工业化进程的加快, 废热的数量是巨大的, 工业余热的合理利用是解决能源问题的一个重要方面。

鉴于上述温差发电的优点, 国外主要发展了温差发电在军事、航空航天、医学领域、余热和废热利用等方面的应用。目前, 温差发电在需长期工作而又不需要太多维修的设备中作为能源广泛使用, 包括荒漠、极地考察时的通讯设备、电子仪器用电, 无人值守信号中继站、自动监测站、无线电信号塔的用电; 地下储藏库、地下管道等的电极保护; 自动发出数据的浮标、救生装置、水下生态系统

及导航、全球定位系统辅助设备等。

在军事方面, 早在20世纪80年代, 美国就完成了500- 1000W 军用温差发电器的研制工作, 并于80年代正式列入部队装备。自从1999年开始, 美国能源部启动了能源收获科学与技术项目。研究利用温差发电器件, 将士兵的体热收集起来用于电池充电, 其近期目标是实现对12小时的作战任务最少产出250瓦小时的电能。在航空方面美国国家航空和宇航局已经先后在其阿波罗月舱, 先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船上使用以各种放射性同位素为热源的温差发电装置。该电力系统已经安全运行了21年,预计可继续工作15至20年。

在医学领域中, 温差发电主要用于向人体植入的器官和辅助器具供电, 使之能长期正常工作, 如人造心脏或心脏起博器。70年代发展起来的微型放射性同位素热源温差电池为解决上述应用需要提供了解决方案。如由Medronic制造的心脏起博器, Pu- 238作核热源, 温差电器件为Bi2Te3, 工作寿命为85年。

随着能源供应日益紧张的条件下, 如何对废热进行回收利用已成为一项重要的课题。日本能源中心开发的用于废热发电的温差发电机WAT - 100,功率密度为100kW /m3。美国、日本已开发了利用汽车尾气发电的小型温差发电机。

热电材料是能将热能和电能直接相互转化的功能材料,它的出现为解决能源紧缺和环境污染提供了广阔的应用前景。其中n型Bi-Sb合金是性能优异的热电和磁电功能材料，是制备固态电制冷器件、温差发电器件和磁电器件的重要材料。Bi2Te3是已知材料中最高的。稀土元素特殊的4f电子层结构使它们在光电磁和化学性质上表现出优异的性能。当温度下降时，4f 电子的传导受到抑制, 其电阻减小, 这就正好满足作为热电变换材料的要求，近年来正逐步应用于热电材料