热电材料的研究现状及发展趋势

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1、热电材料的研究现状及发展趋势摘要热电材料能够直接将电能和热能进行互相转化。由它制成的温差发电器不需要使用任何传动部件，工作时无噪音、无排弃物；和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，是一种性能优越，具有广泛应用前景的环境友好型材料。本文系统阐述了传统热电材料和新型热电材料的研究现状，介绍了各系列热电材料的热电性能及适用范围等，指明了英今后的发展方向。关键词热电材料，温差发电，温差发电机，Seebeck系数，掺杂1引言在以原油价格暴涨为标志的“能源危机”之后，世界上又相继出现以臭氧层破坏和温

2、室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式，以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的［1〜3］。于是,从上个世纪九十年代以来，能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。热电材料又叫温差电材料，具有交叉耦合的热电输送性质；是一类具有热效应和电效应相互转换作用的新型功能材料，利用热电材料这种性质，可将热能与电能进行直接相互转化［4〜6］。用不同组成的N型和P型半导体，通过电气连接可组成温差发

3、电器件和半导体制冷装置。与传统发电机和制冷设备相比，半导体温差发电器和制冷器具有结构简单、不需要使用传动部件、工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长,是一种具有广泛应用前景的环境友好材料[7〜10]o2热电材料的理论基础19世纪德国科学家ThomasSeebeck观察到，当两种不同的金属构成一闭合回路，若在两接合点存在有温度差时，则回路中将产生电流，此种效应被命名为SccbeckEffect,这也成为了温差发电技术的基础。2.1热电

4、材料的三个效应热电材料的研究是一个古老的话题，早在1822-1823年，塞贝克(Seebeck)就曾在《普鲁士科学院报》屮描述了一个当时他这样断定的现象：在彼此接合的不同导体中，由于温度差的影响，就会出现自由磁子。Seebeck发现的温差电流，是在不同导体组成的闭合电路中当接触处具有不同的温度时产生的，在两种不同金属的连线上，若将连线的一结点置于高温状态T2(热端)，而另一端处于开路且处于低温状态T1(冷端)，则在冷端存在开路电压AV,此种现象被称为塞贝克(Seebeck)效应，Seebeck电压AV与热冷

5、两端的温度差AT成正比，即：AV=kAT=k(T2-T1)其中k是塞贝克系数，由材料本身的电子能带结构决定。塞贝克效应发现后的十二年，即1834年左右，钟表匠珀耳帖(Peltier)在法国《物理学和化学年鉴》上发表了他在两种不同导体的边界附近(当有电流流过时)所观察到的温差反常的论文。这两个现象表明了热可以致电，而反过来电也能转变成热或者用来制冷，这两个现象分别被被命名为Secbeck效应和Peltier效应［11］。其中帕耳贴(Peltier)效应描述为：电流通过不同金属接触处时出现的升温或降温现象，通常

6、被认为是塞贝克(Seebeck)效应的逆效应。继Peltier效应之后，热力学创始人之一汤姆逊(Thomson)于1854年以各种能量的热力学分析为出发点，对温差电现象和珀耳帖现象进行了热力学分析，不仅确定了上述过程间的关系，建立了热电现象的理论基础。还发现了汤姆逊(Thomson)效应，其描述为：电流通过金属上的温度梯度场时出现的吸热和放热现象［12］o就其主要方面来说,也是一种电流的热效应。2.2衡量热电性能的优越指标1911年，德国的阿持克希提出了一个令人满意的温差热电制冷和发电的理论，并提出了热电优

7、值公式［2］：Z=S2o/k式中:S——材料的塞贝克系数o——电导率k热导率而这三个参数不是相互独立的，它们都取决于材料的电子结构以及载流子的输运和散射情况［13〜14］。由于每种热电材料都有各自适宜的工作温度范围，因此人们常用Z与温度T之积ZT这一无量纲值來描述材料的热电性能。温差热电现象发现之后，并未引起人们的兴趣，直到本世纪30年代,随着固体物理学的发展，尤其是半导体物理的发展，发现半导体材料的Seebeck系数可高于100uv/K,这才引起人们对温差电现象的再度重视。1949年，前苏联约飞［11］(

8、Ioffe)院士提出了半导体温差电的理论，同时在实际应用方面做了很多工作，到50年代末期，约飞及其同事从理论和实验上通过利用半导体固溶体，使k/。减小，并发现了温差电性能优值较高的制冷和发电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体，迄今为止，这些仍然是最重要的温差电材料。3热电材料国内外的研究现状及发展情况上世纪50-60年代，人们在热能和电能相互转化，特别是在电制冷方面的迫切要求，使得热电材料得到迅速发