热电材料

热电应用
1. 热电发电 2. 热电制冷
热电材料工作原理示意图
a: 热电发电机， b: 热电制冷机，c: 热电器件组成示意图
热电制冷
热电发电
材料的热电性能通过热电优值 ZT 衡量

热电势
电导率
高性能热电材料：
S 2
ZT
T
功率因子 e l
电子热导率 晶格热导率
高热电势 高电导率 低热导率
电性材料之热电材料
Thermoelectric materials can convert heat to electricity or use electricity to pump heat from cold side to hot side
1. 什么是热电材料
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。
提高热电性能的途径
1. 选择最佳的载流子浓度 2. 降低声子热导
①采用重元素掺杂 ②使用含多种原子且结构复杂的合金 ，如 Half-Heusler 类材料 ③引入缺陷，形成固溶体结构热电材料 。 ④低维化（如纳米线） ⑤设计电子晶体-声子玻璃输运特性的材料 ⑥微晶结构 （纳米晶、纳米复合） ⑦采用具有特殊结构的复杂化合物，使一种或多种原子可以在由其它原子 组成的大空隙里面振动，增加声子散射，降低晶格热导率，如 Skutterudite 类化合物 3. 选择最佳工作温度及材料的禁带宽度
July-15-2010
2. 热电材料研究和应用的瓶颈
热电转换效率
提高热电优值ZT的困难在于热电材料自身的Seebeck系 数、电导率和热导率不是相互独立的，而是都取决于材 料的电子结构以及载流子的传输特性。例如，当通过提 高载流子浓度和载流子迁移率来提高电导率时，不仅会 增大载流子对热传导的贡献，造成热导率增大，而且往 往会降低Seebeck系数。正是由于这三个物理量不能同 步调节，热电优值和热电转换效率很难大幅度提高，使 得传统块状热电材料的推广应用面临巨大障碍。
E dE S lim
T0 T dT
Seebeck effect 的物理解释
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当 两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电 子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并 和接触区的温度成正比。
设导体 A 和 B 的自由电子密度为 NA 和 NB，且有 NA＞NB，电子扩散的结果使导体 A 失去电子而带正电， 导体 B 则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。 这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在 接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。
一些主要 热电材料 体系的ZT 值
1. 目前已发现的主要热电材料体系
☆ Bi2Te3/Sb2Te3体系 ☆ PbTe体系 ☆ SiGe体系
研究相对成熟 热电性能好 温度覆盖范围合适
☆ CoSb3为代表的方钴矿型(Skutterudite)热电材料 ☆ Zn4Sb3 ☆金属硅化物（如β-FeSi2、MnSi2、CrSi2等） ☆ NaCo2O4为代表的氧化物等
Bi2Te3/Sb2Te3适用于 低温，在室温附近热 电优值达到1（相应的 热电转换效率约为7~8 ％），被公认为是最 好的热电材料，目前 大多数热电制冷元件 都是使用这类材料。
PbTe体系 适用于
500~900 K 的中温，热 电优值最大 可达0.8， 可用于温差 发电。
SiGe体系多用于900 K 以上高温，但是这类 具有金刚石结构的材 料的晶格热导率很高， 因而热电优值很低， 目前只是在卫星和空 间站的温差发电系统 比较常用。
p型BixSb2-xTe3纳米晶 Science 320 (2008) 634.
☆ 什么是热电效应
热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应 的总称，包括Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。
热电材料受到前所未有的关注
BMW530i Nat. Mater. 8 (2009) 83
(2) Peltier 效应
1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆 效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时，接 点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。
帕尔帖效应的物理解释：
电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载 体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级 向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从 低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。
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Nat. Mater. 8 (2009) 83
能源和环境问题推动了热电材料的研究
热电效应
(1) Seebeck效应
1823年，德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合 回路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生， 且在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应。