热电材料研究进展.ppt

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1、热电材料研究进展研究生：孙言指导老师：蒋俊2011-10-27现实意义基本概念研究现状预期目标报告内容Ⅰ.热电材料研究的现实意义1.能源短缺、环境污染、温室效应2.应用（1）：热电制冷针对半导体热电制冷器件，在我市慈溪、余姚等地区有很大的产业集群，如饮水机、小冰箱、酒柜等应用（2）：热电发电美国、德国、日本、韩国等汽车公司（GM、BMW、HONDA、大众、现代等）正在开展相关研发工作，可节省油耗5%；国内相关研究刚刚起步（上汽）利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电，提高转换率；国家“973”计

2、划、日本能源开发机构NEDO、美国DOE等均有所部署聚光光伏太阳能辅助系统利用燃烧热、地热、体表温差等热源，为野外作业、偏远山区、小型电器、植入式医疗器械等提供电能Ⅱ.热电材料及热电效应1.什么是热电材料热电材料（也称温差电材料，thermoelectricmaterials）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。☆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。热电器件工作原理H

3、eatSourceHeatSinkIPNActiveCoolingHeatRejectionIPN(a)PowerGenerationMode(b)CoolingModeSeebeck效应Peltier效应CroninBV.Semiconductorsarecool.Nature.2001,413:577~578热电发电热电制冷HeatSourceー＋P-typeelementN-typeelementCeramicplateHeatSink热电器件实物图热电器件模型绿色能源：体积小重量轻结构简

4、单坚固耐用无需运动部件无磨损无噪音无污染热电性能评价材料热电性能赛贝克系数电导率热导率优异热电性能：Seebeck系数大电导率高热导率低Ⅲ.热电材料的研究现状热电材料的研究进展ChenG,etal.InternationalMaterialsReviews,2003,48(1):1-22.Venkatasubramanian,et,al.Nature(London)413,597(2001).Seebeck现象主要是金属Ioffe提出半导体热电理论Bi2Te3、PbTeSiGeAgPb18SbT

5、e20NaCoO2、Zn4Sb方钴矿量子点、量子线、超晶格等低维热电材料（年）18211949199020040.51.02.0ZT183418551997高效热电材料与器件的研发既是相关产业发展需求，也是热电材料科学技术自身发展的重大需求学术上受到前所未有的关注美国：未来5年研究开发计划能源部（DOE）宇航局（NASA）国防部（DOD）日本：通产省和科学技术振兴机构（JST）——热电材料与工业余热发电技术——高效热电材料与太阳能热电转换技术欧盟：从第六框架计划（FP6）开始，将热电材料列入“可

6、再生能源技术”予以重点支持ZT值：≥2.0转换效率h：≥20％目标ZT值：≥2.0效率h：≥20％热电材料科学技术相关新能源技术重大突破政府的关注和支持主要的材料体系SiGe体系PbTe体系Bi2Te3/Sb2Te3体系Skutterudite复杂氧化物金属硅化物高温中温低温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500~900K的中温，热电优值最大可达0

7、.8，可用于温差发电。SiGe体系多用于900K以上，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。热电材料研究和应用的瓶颈随着载流子浓度增加，σ和κ均增加，α却减小合适的载流子浓度，尽量降低热导率热电优值α：seebeck系数σ：电导率（与载流子浓度和迁移率有关）κ：热导率（包括声子热导和电子热导）σ=neμμ=eτ/m*k=ke+kL掺杂：改变费米能级的位置，优化电输运性能；点缺陷（原子质量波动），增强声子散射改善热电性能的途径低维

8、材料：量子限域效应（超晶格等）晶界散射：引入纳米结构（球磨、水热等）增强声子散射，降低晶格热导率国外研究DrMildredDresselhausProfessorsofMITDrGangChenDrZ.F.RenprofessorofphysicsatBostonCollege国外研究Dr.JeffreySnyderaFacultyatCaltech.MercouriKanatzidisFromNorthwestUniversity国内研究陈立东教授上海硅酸盐研究所唐新峰教授武汉理工大学赵新兵教