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时间:2019-02-01
《微波湿化学法合成bi2se3与bi2te3热电材料》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、第一章绪论第一章绪论近年来环境污染不断加剧,各种主要由工业废气、汽车尾气等石油及其衍生物燃烧所构成的各种污染物,对人们的健康和活动构成了极大的危害。同时,石油等不可再生能源的加剧消耗也使得人们的担忧日益加剧,寻找没有污染、可循环利用的能源日益成为当今社会的迫切需求。热电材料(也称其为温差材料)可直接将热形式的能量与电能进行转换:将热能直接转换为电能时,即为(温差)发电;反之可利用电能进行放热和冷却,从而实现制冷。由于热电能量转换部件中完全没有如火力发电和空调等设备中所使用的机械部分,因而在温差发电和致冷的过程中没有振动和噪音,因而可靠性也得到提高,并且便于维护,可长
2、时间运行。利用热电材料进行的温差发电仅利用温度上的差别进行发电,并不向环境中排放有害物,同时可以循环利用,从而对于环境的保护非常具有价值。而传统的制冷方式所产生的氟利昂,对臭氧层也会造成破坏,且其含有机械运动部件,噪音大,体积大。温差制冷同样不向环境中排放有害物,且无机械运动部件、体积小、无噪音,除了保护环境,也拓展了新的使用领域。由热电材料所制成的器件及设备具有固态化、无机械运动部件、无污染、无噪音、体积小等优点,使其在当前环境污染日益严重、能源消耗不断加剧之时,无论在温差发电还是温差制冷方面均具有广泛的、对环境友好的应用前景。不过,虽然热电材料所构成的发电和制冷
3、器件具有上述优点,但与传统发电和制冷方式相比,其效率目前还比较低,这使其更加广泛的应用受到制约。如何进一步提高热电材料的性能,从而最终提高热电器件的效率,是目前研究领域的热点。近来热电材料领域的研究越来越活跃,相信热电材料性能方面的重大突破指日可待。1.1热电材料相关理论热电效应是Seebeck效应、Peltier效应Thomson效应这三种效应的统称。通过对这三种效应的不同使用方式,可制成各类热-电转换器件,如温差发电机,半导体制冷器等等。1万方数据电子科技大学硕士学位论文1.1.1Seebeck效应Seebeck效应是指:由两种不同导体组成的闭合的回路,若两种材
4、料的接点处[1]温度不同(即产生了温差),便可产生电势差,构成的回路中会有电流产生。此效应由德国人Seebeck于1823年发现。Seebeck效应可将热能直接转换为电能,从而实现温差发电。在两种不同的材料A、B构成的回路中,若两个接头分别为不同的温度T1、T2,则会产生电动势V,Seebeck系数S即定义为电动势V与温度差T1-T2的比值,即:VS(1-1)TT12当温差TT不是很大时,S近似不变,虽然由公式可以看出S的单位为V/K,12但是绝大多数材料的S值非常小,所以一般使用μV/K这个单位(Seebeck效应产生的物理本质是由于载流子在温度产生了梯度的
5、情形下在导体内的分布发生了变[1]化引起的:当导体两端的温度相同(无温差)时,载流子均匀地在导体内分布。当导体两端温度不相同(温差产生)时,较热一端的载流子有着相对大的动能,它们将扩散到较冷的一端并聚集起来,这将会让较冷一端的载流子的数目比较热一端的多,从而建立起电势能差。图1-1Seebeck效应示意图1.1.2Peltier效应1834年,法国人Peltier发现了Seebeck效应的逆效应即Peltier效应:当电流2万方数据第一章绪论[2]通过两个不同导体节点时,接点处会发生放热或吸热。即:qI(1-2)ab其中为常数,定义其为Peltier系数,即q
6、(1-3)abIPeltier系数的物理意义是接点处每单位时间内每单位电流所引起的吸收、放出[2]WVA的热量值,其单位为V,即与电压单位相同。Peltier是由于所加电压AA形成的电场使得两种导体中的载流子形成梯度,在接点处进行放热或吸热以达到新的平衡。图1-2Peltier效应示意图1.1.3Thomson效应上述Seebeck效应以及Peltier效应主要指在两种不同材料构成的回路中所存在的效应,Thomoson效应则是单一导体中所存在的效应。如在某均匀导体中通过电流I,而导体两端有温差,则导体上吸热或放热的速率为:qIT()T(1-4)12其中β
7、定义为Thomson系数,即:3万方数据电子科技大学硕士学位论文q(1-5)IT()T12易知Thomson系数和Seebeck系数单位相同,都为。Thomson系数是由Thomson在研究Seebeck系数和Peltier系数间关系时发现的,他导出:abS(1-6)T上式被称为开尔文关系,此关系被后来被理论推导以及相关实验研究所证实。热电效应起初在金属中发现,效应并不明显,除了在测温方面有所应用外,热电材料在二十世纪中期之前并未引起特别重视。在二十世纪五十年代,发现窄带掺杂半导体的热电效应相对于金属而言要大得多,热电材料的研究进入一个新的高潮期。研究
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