第三章 热电、光电材料

《第三章 热电、光电材料》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第三章热电、光电材料与太阳能电池一、热电材料所谓热电材料(Thermoelectricmaterial)就是把热转变为电的材料，包括温差电动势材料，热电导材料和热释放材料。1温差电动势材料温差电动势效应塞贝克效应(Seebeckeffect)由两种不同的导体(或半导体)A,B组成的闭合回路，当两接点保持在不同温度T1,T2时，回路中将有电流产生。此回路称热电回路。回路中出现的电流称为热电流。回路中出现的电动势ΔEAB称为塞贝克电动势。塞贝克(T.J.Seebeck)的实验,1821年回路中的电动势ΔEAB为可近似由下式给出:ΔEAB=SABΔTSAB为相对塞贝克系数；ΔT为

2、两接触点的温差。SAB为材料A和B的塞贝克系数：它是热电偶最重要的特征量。当电流由热端T2经A流向冷端T1时SAB为正，反之为负。SA、SB—A、B材料的塞贝克系数。温差电热效应在热电回路中，与两接点间的温度差而引起的塞贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种热效应，帕尔贴和汤姆逊热效应。前者出现在不同的两个电极的接头处；后者一种导体的的两端上。塞贝克，帕尔帖和汤姆逊热电三效应帕尔贴效应汤姆逊效应在不同金属或半导体的两个接头处，当电流流过时将发生可逆的热效应，即有ΔQⅡ的吸收或释放(依电流的方向而定)，其大小与电流和流通的时间Δt成正比，即ΠAB—帕尔贴系数。由于帕尔帖效

3、应，会使回路中一个接头发热，一个接头致冷。是塞贝克效应的逆效应。帕尔贴效应（1834年，Peltier）帕尔贴（Peltier）的实验1834年，热电发热电利用塞贝克效应热电致冷利用帕尔贴效应当电流通过一跟两端温度不同的导体（铅以外）时，若电流方向与热流方向一致则会放出热量（电流产生的焦耳热之外），反之则会吸热。汤姆逊热效应（Thomsoneffect）Zn,Cu等碱金属，Co,Ni,Fe等正汤姆逊热效应PositiveThomsoneffect负汤姆逊热效应NegativeThomsoneffect在热电同路中流过电流时，在存在温度梯度dT/dx的导体上也将出现可逆的热效

4、应，是放热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定热效应的大小ΔQT,(μ称为汤姆逊系数)汤姆逊又将两种温差电热效应的系数与温差热电效应的塞贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式汤姆逊热效应接点—介质温差效应用半导体和两种不同金属连接成一个回路(半导体在两金属中间）并使半导体温度大于介质温度，即可产生电动势，这也是一种温差效应。温差电(势)效率η温差电动势材料的种类合金：常用的热电极材料中，合金类占很大比例半导体合金化合物：氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。温差电动势材料的应用温差电动势材料主要应用在两个方面：一方面制作热电偶用于测温，这方面应用的材料主要是高纯金属和合金材料；

5、另一方面热电转换材料（可制作温差电堆），用来发电或做致冷器，这类器件所用的材料主要是高掺杂半导体材料。温差电动势的大小与两种金属材料的性质有关，也与温度差T1－T2的大小有关。在通常情况下，温差电动势只有1－10毫伏数量级，如果把多个温差电偶按照相同顺序串接成温差电堆（右侧示意图），温差电动势会大大增加。温差电堆的示意图热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点热电偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。热电偶材料：热电偶种类很多，已研制的组合热电偶材料近300种，已经标准化的15种，工业上广泛应用的8

6、种，有相应标推代号。常用的热电偶的类别制作热电转化器件：热电器件应用主要是作为温差发电和致冷器，温差发电和致冷的工作原理虽不同，但它们的材料类似，因此，统一成既能作为发电器或热束又可作为致冷器的装置，虽成本高、效率低，但体积小、无振动、无噪声及易控温，用于供电不方便的地方如高山、南极、月球等。携带型冰箱，用在汽车里电脑CPU的散热器件控热器件宇宙探测卫星的电源。利用原子炉的热能发电热点转换材料的研究现状公认的热电材料有Bi2Te3，PbTe，SiGe等。这些材料具有的ZT=1，变换效率超过10%的高性能。但是有耐热，耐氧化性差，原料储藏少，对环境有污染等问题。热电材料要求导

7、电率σ和Seebeck系数S要大，热传导率要小。固体中输送电荷的电子同时输送热。因为热电率对应单位载流子输送的熵，载流子密度的增大可以使σ变大，但是S变小。也就是说，决定热电性能三个物性保持互相约束的状态。2007年Ohta（太田，名古屋大学）成功的合成了SrTiO3化合物的人工超格子的2维电子气（2DEG），得到了高性能的热电材料（ZT=2.4）SrTiO3化合物的人工超格子的2维电子气的示意图二维电子气(Two-dimensionalelectrongas,2DEG)是指电子气可以自由在二维方向移动，而在第三维