热电材料
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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。
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。
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。
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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu 高电导率 低热导率
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。
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
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。
July-15-2010
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。
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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。
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。
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。
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
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ຫໍສະໝຸດ Baidu 高电导率 低热导率
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。
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
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。
July-15-2010
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。