光電子器件報告

報告人：高大永熱電材料的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前言在當(dāng)今時代，環(huán)保和節(jié)能已經(jīng)成為時代的主題。如何開發(fā)新的綠色能源，如何更好的做到低功耗，如何更好的保護環(huán)境又不影響人類的發(fā)展，成為研究的重點。熱電轉(zhuǎn)化器件，因為具有環(huán)保、能源回收等多種優(yōu)點，越來越受到人們的重視，成為當(dāng)今人們研究的熱點之一。報告內(nèi)容熱電材料的發(fā)展熱電轉(zhuǎn)化的理論基礎(chǔ)熱電材料的分類提高材料性能的主要方法熱電材料的應(yīng)用范圍總結(jié)一、熱電材料的發(fā)展熱電材料起源于19世紀(jì)30年代，由于當(dāng)時主要是金屬材料，所以研究進展相當(dāng)緩慢。到了20世紀(jì)30年代，半導(dǎo)體材料的出現(xiàn)，熱電材料的研究再次引起人們的關(guān)注。接下來的幾十年，人么不斷發(fā)現(xiàn)合成新的熱電材料，并逐漸在發(fā)電、制冷等領(lǐng)域取得技術(shù)性突破，并開始商業(yè)化發(fā)展?，F(xiàn)在，熱電材料已經(jīng)成為人們研究的重點之一。二、熱電轉(zhuǎn)化的理論基礎(chǔ)1821年塞貝克通過研究不同導(dǎo)體組成的回路發(fā)現(xiàn)了塞貝克效應(yīng)。1834年帕爾貼在塞貝克效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了帕爾貼效應(yīng)。1854年湯姆遜將塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)相結(jié)合，通過實驗和理論分析，提出了湯姆遜效應(yīng)。1.塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)又稱作第一熱電效應(yīng)，它是指在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個端點的溫度不同，會產(chǎn)生電動勢。若存在回路，在回路中將出現(xiàn)電流，。2.帕爾帖效應(yīng)帕爾帖效應(yīng)，又稱第二熱電效應(yīng)，是指當(dāng)電流通過A、B兩種導(dǎo)體組成的接觸點時，除了因為電流流經(jīng)電路而產(chǎn)生的焦耳熱外，還會在接觸點產(chǎn)生吸熱或放熱的現(xiàn)象。3.湯姆遜效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)：當(dāng)電流在溫度梯度的單一導(dǎo)體中流過時，導(dǎo)體除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）?；蛘叻催^來，當(dāng)一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。如何確定材料熱電性能的好壞熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率可用無量綱熱電優(yōu)值ZT來表征，ZT越大,材料的熱電性能越好。

式中S為材料的熱電系數(shù)，即塞貝克系數(shù)，σ為材料的電導(dǎo)率，為材料的熱導(dǎo)率。三、熱電材料的分類1、根據(jù)材料的使用范圍2、根據(jù)材料自身的組成成分和結(jié)構(gòu)特點1、根據(jù)材料的應(yīng)用范圍室溫?zé)犭姴牧希築i-Te系列半導(dǎo)體材料具有良好的室溫?zé)犭娦阅?在室溫情況下ZT值接近1。通過摻雜Cu、Sb等，能夠使材料在室溫情況下的ZT值達(dá)到1.5。Bi2Te3晶體結(jié)構(gòu)（●：Te；●：Bi）中溫?zé)犭?PbTe材料已經(jīng)比較成熟。N型PbTe的熱電性能較好，但是P型PbTe的性能并不理想。目前研究難點在P型材料。具有方鈷礦結(jié)構(gòu)的CoSb3類材料是中溫?zé)犭姴牧系男滦痛?。高溫?zé)犭姴牧?，以SiGe為代表。適當(dāng)提高Si含量可以有三方面的優(yōu)勢：降低了材料的熱導(dǎo)率，且合金具有較大的塞貝克系數(shù)；提高的載流子濃度；提高了SiGe合金的禁帶寬度和熔點，使其更適合高溫下的工作。這種材料在1000K時的ZT值能夠達(dá)到1。2、根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)和成分1、半導(dǎo)體金屬合金型熱電材料這類材料以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族及稀土元素為主，主要是金屬化合物及其固溶體合金如Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe、SiGe等,這些材料都可以通過摻雜分別制成p型和n型材料。這些材料制備條件要求較高,需在一定的氣體保護下進行,不適于在高溫下工作，含有對人體有害的重金屬。2、方鈷礦(Skutterudite)熱電材料方鈷礦是一類通式為AB3的化合物（其中A是金屬元素，如Ir、Co、Rh、Fe等；B是V族元素，如As、Sb、P等）。其中，CoSb3的熱性能相比較而言最好。

盡管二元合金有良好的電性能,但其熱電數(shù)據(jù)受到熱導(dǎo)率的限制。3、金屬硅化物型熱電材料金屬硅化物是指元素周期表中過渡元素與硅形成的化合物,如FeSi2,MnSi2,CrSi2等。由于這類材料的熔點很高,因此很適合于溫差發(fā)電應(yīng)用。人們研究較多的是具有半導(dǎo)體特征的FeSi3,它具有高抗氧化性、無毒、價格低廉等優(yōu)點。此外,通過向FeSi3中摻入不同雜質(zhì),可制成P型或N型半導(dǎo)體,是適合于在200—900℃溫度范圍內(nèi)工作的熱電材料。4氧化物型熱電材料氧化物型熱電材料的特點是可以在氧化氣氛里高溫下長期工作,大多數(shù)無毒性、無環(huán)境污染,且制備簡單,制樣時在空氣中可直接燒結(jié),無需抽真空,成本費用低,因而備受人們的關(guān)注。典型代表為NaCo2O4化合物。NaCo2O4的ZT值在900K時達(dá)到0.72。5、功能梯度材料(FGM)功能梯度熱電材料有兩種。一種是載流子濃度梯度熱電材料；另一種是分段復(fù)合梯度熱電材料。梯度熱電材料的每層之間只有真正實現(xiàn)連續(xù)過渡，才能消除梯度層之間的界面，對于分段的FGM，各個單體材料一般通過插人過渡層的方法來避免或減少因結(jié)合界面的存在引起的電導(dǎo)率下降及熱導(dǎo)率升高等問題，因此發(fā)展材料的制備技術(shù)是研制梯度熱電材料的關(guān)鍵。6、低維熱電材料理論研究及實驗結(jié)果都表明，降低材料維數(shù)可以提高熱電材料的ZT值。原因在于降低維數(shù):(1)提高了費米能級附近的態(tài)密度，從而提高了塞貝克系數(shù);(2)提高了載流子的遷移率;(3)增加了勢阱壁表面聲子的邊界散射，降低了晶格熱導(dǎo)率。主要包括：超晶格熱電材料、納米復(fù)合熱電材料等。四、提高材料熱電優(yōu)值的方法1、元素?fù)诫s材料的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率都是和載流子濃度相關(guān)的函數(shù)，很難獨立改變。通過對性能比較優(yōu)異的熱電材料進行摻雜，可以改善材料本身的載流子濃度和遷移率，從而提高熱電優(yōu)值。2、低枯維化材料的哲低維化趕有助于汁降低材朵料的熱母導(dǎo)率，燦能有效效的提高指材料的紫熱電性陰能。因償為改變氏材料的進量子結(jié)襪構(gòu)能夠益明顯的訊改變材維料的性挖質(zhì)。例副如：費序米能級握處態(tài)密筒度增大爹會導(dǎo)致躲塞貝克肢系數(shù)增撇加。目前主要擇的技術(shù)手刷段有真空誓蒸發(fā)鍍膜倦法、離子驕?zhǔn)庋臃?、金屬有針機化合物蹲氣相沉積拆法等。3、梯度魔化某種材料孔的熱電優(yōu)粒值只有在捆特定的溫鄭度范圍才謀會出現(xiàn)。鉗梯度化的犬目的就把銜適用于不苗同溫度區(qū)啞域的熱電描材料通過竭復(fù)合成梯灣度材料，歐是單一材俊料在各自帆溫度區(qū)域敬內(nèi)保持最趨高的熱電落轉(zhuǎn)化效率砍。目前制納備FG贏M的方吃法有：加粉末致哲密法、就涂層法怒、分層肚制備發(fā)婆等。4、熱電陰模塊的設(shè)兔計通常的做騎法就是把啦上述三種哥方法結(jié)合古起來，從撈而更好鹽的改變材劫料的熱電旨性能。另得外，還包販括具體應(yīng)織用器件的疾設(shè)計。例收如，熱點稀模塊中電者臂的長度且、截面積氣的大小、絮P型材料嚼和N型材客料的串聯(lián)耍并聯(lián)情況冤等等。五、熱電社材料的應(yīng)所用范圍熱電材啊料主要傘用在溫釘差發(fā)電句器件和晉熱電制叔冷器件蠟兩個方類面。溫差發(fā)規(guī)電器件瀉利用塞沈貝克效針應(yīng)。熱電制鎖冷器件喬利用帕悠爾貼效轉(zhuǎn)應(yīng)。溫差發(fā)電煎器右圖所棕示為溫晶差發(fā)電之器原理派圖。因為半駱導(dǎo)體材績料的塞倒貝克系贏數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)方大于金襪屬材料咐，所以擇采用半疼導(dǎo)體材瘋料來制店備。溫差發(fā)所電器中梅的基本富結(jié)構(gòu)溫差發(fā)電最器產(chǎn)品德國一家賭芯片研發(fā)藥企業(yè)研究勁出的新型杠電池，主約要由一個級溫差硅芯乞片構(gòu)成。娃當(dāng)硅芯片曬正面溫度浸和背面溫附度具有一庸定溫差時軋，其內(nèi)部場就會產(chǎn)生估微電流。豬組件兩面擋上的溫差佩在0-6跌0度之間趨是，可以模產(chǎn)生0-鞋3.8V風(fēng)電壓，0浪-3A的資電流。下圖所奸示為汽話車余熱李回收系災(zāi)統(tǒng)，器鋸件的一仰側(cè)是排授氣管通流道，另清一側(cè)是步熱交換堂器，兩腎側(cè)溫度油不同，蜓給溫差腫發(fā)電器頸提供溫間差。下圖所示垮為一種太壤陽能發(fā)電躁屋頂結(jié)構(gòu)寧，在屋頂棉設(shè)置了熱劉電轉(zhuǎn)換器貝件。太陽娘照射銅板凳，使熱端貍溫度上升悟，與冷端嚇形成溫差村，從而發(fā)估電。在環(huán)咳境溫度在稼30-3夜5℃，趨輻射強度釀為800脊W/m2，能夠產(chǎn)趟生1.2韻W/m2的電力叮，能夠上用來提趨供照明掙。溫差發(fā)電渾的優(yōu)勢1、利芽用有易泉于環(huán)境虧的清潔即能源不依賴?yán)几虾头乓嫔湫酝凰卦?，僅殼靠溫度皮差便可吃發(fā)電。2、可從安地球上所這有的熱源異中獲取能濾量自然界中黨的所有熱慰源（太陽伸熱、海洋殲熱、地?zé)嵫?、人體熱賊等）

人光工熱源（禾工業(yè)廢熱水、汽車廢坊熱、燃燒鋪垃圾的廢凈熱等）3、比較峽小的溫度例差就可獲態(tài)取能量只要有淋數(shù)十度遍的溫度洗差就可接發(fā)電。4、長壽嘩命。

沒全有機械的放驅(qū)動部分圍，不易發(fā)追生各零件派的損耗和魔劣化。熱電制薦冷器件右圖為遷熱電制溝冷工作讓原理圖熱電制冷駱器中的基育本結(jié)構(gòu)熱電制冷刑器件產(chǎn)品蘇州冰雪武電子有限念公司制冷芯片型號：T犧ES1-信1270疑4外形尺培寸：3靜0*3綢0MM最大電壓蕉：15.槽4V最大電流供：4A最大制蔑冷功率稿：35悔.6W機柜空調(diào)狂制冷機芯型號：輸FF-董36w外形尺營寸：1最20*瘡91*扮133徑mm（長*指寛*高讀）電壓：死DC1吹2V正常工綠作的環(huán)段境溫度丟為-1趣0℃至錯+50伏℃熱端散熱若器的過熱檢保護器溫燦度設(shè)定+征75℃±波5℃TTR系門列致冷飲匹水機工作電況壓：9秋0V-蝦265盛V功耗：7蛛0W制冷速度塊：3L/鴿H出水溫度頭：13℃開以下德國MO句BICO殖OL冰箱他廠美固：T便C-14落FL半革導(dǎo)體車載徹冰箱

容鄙積：14真升

電壓雪：12/周24伏直養(yǎng)流和23撥0伏交流慮電溫度范凡圍：冷藏端+1°C雪至+15屋°C加熱+5姨0°C至傾+65°贊C

功耗構(gòu)：22W德國M規(guī)OBI沫COO進L冰箱括廠美固T煉08半泉導(dǎo)體車饑載冰箱電源電壓努：DC1低2V功耗：除32W容積：察8L最大制冷鑒可達(dá)低于亮環(huán)境溫度糾20°C熱電制冷余的優(yōu)勢不需要制詞冷劑，對建環(huán)境無污集染工作時無山噪音、無四排棄物冷卻速廢度快，崖調(diào)節(jié)性知能好制成多臥級制冷齡方便，犁制冷溫謝差可達(dá)鵲300～1500易于小姓型化與傳統(tǒng)胞制冷相悟比，半茄導(dǎo)體制絮冷器重雖量輕、貼體積小節(jié)，可提襲供高技何術(shù)領(lǐng)域賠使用總結(jié)熱電材料遺的熱電優(yōu)蜘值太小仍蛋然是目前燃面臨的主窗要問題。右要繼續(xù)提搬高材料的窮制備工藝臺，加寬對岸新型材料蘋的研究范架圍，進一停步提高材務(wù)料的性能留。熱電器件釋的工業(yè)化廁已經(jīng)逐步偶實現(xiàn)，可撈以根據(jù)器前件的工作磚狀態(tài)、性血能評價，脆找出與器輕件的微觀待結(jié)構(gòu)的聯(lián)隨系，從而謀更好的分棉析材料的晉性能。當(dāng)然，熱武電材料有勾自身特有酸的優(yōu)勢，肉前途肯定處是光明的塊。Tha墾nk