热电材料的研究及其应用(课堂PPT)
热电材料的研究及其应用
热电材料的研究及其应用热电材料是一种可以将热能转化成电能的物质。
通俗地说，热电材料可以通过温差发电，利用热能将电能转化，具有重要的应用前景。
随着节能环保理念的不断普及，热电材料的研究受到了广泛的关注。
热电材料的主要特点是它们能够将温度差转化为电能，在极特殊条件下这种效应被称为费贝基效应。
热电材料的研究领域非常广泛，这些材料的应用能够弥补当前经济中的某些缺陷并改变许多技术系统的结构。
热电材料具有多种特性，如半导体电性质量，热电性质，光电性质和力学性质，这使得热电材料具有非常广泛的应用领域。
目前，热电材料的研究重点是在热电材料的发现、材料结构设计、性质理论研究、应用领域研究和实际应用五个方面进行。
热电材料被广泛应用于能源与电力、信息与通讯、医疗卫生、军事与航空、环境与生物等领域，其中最广泛应用的是能源领域。
利用热电效应实现热能的转化可以大大提高电力的整体效率，目前人们已经着手使用热电材料来研发新一代高效热电设备，这不仅是一项极其重要的技术创新，更是一项重大的经济利益和环境保护工程。
热电材料目前的应用主要集中在锗和硅等材料中。
锗和硅是最常用的热电材料，但它们的转换效率相对较低，且成本较高。
近年来，人们利用纳米技术和多元化材料的开发使得新型热电材料的性能日益提高，比如可降低材料的导电性和热传导性的”纳米结构设计”技术，已经使热电材料的转化效率明显提高。
随着新材料、新技术和新理论的出现，未来热电材料的研究和应用领域将会更为广阔和多样化。
除了在能量和电力领域中的应用外，热电材料还可用于医疗卫生、环境与生物技术领域。
利用热电材料可以研发出一些可穿戴式设备，例如皮肤贴片，这些设备可以自发热或感知人体温度变化，并可以具备监测、采集和处理生命信号的能力。
在外科手术中，可以通过皮肤贴片实现血压、脉搏等生理指标的实时监测，有效提高医疗人员的诊断效率。
另外，热电材料的应用还涉及汽车、航空和船舶等领域，例如汽车发动机排放废气中的废热利用，可以使废气得到更好的处理和利用。
热电材料的研究及其应用PPT23页
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
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热电材料的性能研究及其应用
热电材料的性能研究及其应用随着人们对可再生能源的追求和制造业的不断发展，热电材料的研究和应用逐渐受到了越来越多的重视。
热电材料是一种能够转化热能为电能或者电能为热能的材料，其在能源转换、温度测量、温控等领域中具有广泛的应用前景。
本文将从热电材料的基本原理、材料性能及其应用等方面进行探析。
一、热电材料的基本原理热电材料的热电效应是指在温度差的作用下，该材料内部自然产生电场和电流的现象，这种现象也称为“塞贝克效应”（Seebeck effect）。
热电材料的热电特性由该材料的温度、电导率、热导率和塞贝克系数（Seeback coefficient）等因素决定。
塞贝克系数是热电材料的一项重要参量，其定义为材料单位梯度温度下的电场强度和温差的比例，常用单位为μV/K。
热电材料的塞贝克系数高低直接影响到材料的转换效率。
通常情况下，热电材料的塞贝克系数越大，其转换效率就越高。
二、热电材料的性能研究由于热电材料的特殊性质，其性能研究是热电器件开发的前提。
目前对于热电材料的性能研究主要集中在以下几个方面：1.材料的制备材料制备是热电材料性能研究的关键。
现有的研究表明，热电材料的制备方法对其性能有着至关重要的影响。
目前常用的制备方法包括化学气相沉积、机械合金化、固相反应等。
化学气相沉积是制备高纯度、均匀性好的薄膜热电材料的有效方法，机械合金化则可制备多相复合材料的热电材料，固相反应则可制备多晶热电材料。
2.塞贝克系数的测量热电材料的塞贝克系数是热电转换的重要参量。
其准确测量是热电材料性能研究的关键。
目前，常用的塞贝克系数测量方法有常规差动温差法、自然循环法、反相法等。
不同的测量方法能够给出不同精度和范围的塞贝克系数值，因此需要按照具体应用要求选用不同的测量方法。
3.材料的微观结构和电子结构研究材料的微观结构和电子结构对热电材料的性能有着重要的影响。
现有的研究表明，通过材料的微观结构和电子结构的调控可以有效地提高热电材料的性能。
热电材料研究进展ppt课件
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。
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热电材料研究和应用的瓶颈
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）
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）
聚光光伏太阳能辅助系统
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”计划、日本能源开发 机构NEDO、美国DOE等均有所部署
利用燃烧热、地热、体
SiGe 体系
PbTe 体系
Bi2Te3 /Sb2Te 3体系
高温 中温
低温
SiGe体系多用于900 K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。
PbTe体系适用于 500~900 K的中 温，热电优值最 大可达0.8，可用 于温差发电。
—— 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“可再生能源技术”
予以重点支持
ZT 值：
≥2.0
转换效率h ： ≥ 20％
热电材料科学技术 重大突破
相关新 能 源 技 术
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主要的材料体系
金属 硅化 物 复杂 氧化 物
Skutte rudite
表温差等热源，为野外
作业、偏远山区、小型
热电材料 ppt课件
ppt课件
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（3）利用seebeck效应，由热生电
温差发电材料，主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe等合金材料。
半导体温差发电机的特点是：无噪声、无磨损、无振动、可
靠性高、寿命长；维修方便；易于控制和调节，可全天候工
作；可替代电池。
半导体温差发电机的热源：煤油、石油气以及利用Pu238、
sr90、Po210等放射性同位素p。pt课件
当电流在已经存在温差的导体中流动时，热量会被吸收或者 被放出。而电流方向和温差之间的相对关系决定了材料 在这个过程中是吸收热量还是放出热量。这一现象，我 们称为汤姆逊效应。
铜、锌等
正汤姆逊热效应 Positive Thomson effect
ppt课件
碱金属，Co, Ni, Fe 等 负汤姆逊热效应 Negative Thomson effect
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4、帕尔贴(Peltier)效应
（1）定义：即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点 处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。又称第二 热电效应。
当在两个节点T1和T2输入一个电压Vin，回路中会产生一个
相应的电流I。接头A处的热量会被吸收，从而产生一个微弱
的制冷现象，在B处，随着热量的流入温度升高。
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6、热电性能评价
ppt课件
优异热电性能： Seebeck系数大 电导率高 热导率低
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7、热电材料的优点
① 没有运动部件：热电制冷器在工作的时候只用到 电能，不会有任何运动的部件，这样一来，它们 基本上不需要维护保养。
② 体积和重量很小：一个热电制冷系统的体积和重 量要远远小于相应的机械式制冷体系。除此之外， 对于各种严格的应用要求，有各种标准的或特殊 的尺寸和布局方式可供选择。
热电材料课件
等等。。。
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三、我现阶段所涉及的方面（皮毛）
1、实验部分 BaSi2的制备
计算 称量（电子称） 熔炼（真空电弧炉） XRD
测热电性能（PPMS）
压片
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2、计算部分（软件模拟）
Linux系统 WIEN2k软件
得到态密度（DOS） 能带(Bandstructure) 赛贝克系数（S） 电导率( )
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⑧ 可以在任意角度下工作：热电制冷器可以再任意 角度和零重力状态下工作。所以，在航天器械中 应用非常广泛。
⑨ 简单方便的能源供给：热电制冷器能够直接使用 直流电源，并且加载电源的电压和电流能够在很 大范围内变化。在许多条件下，还可以使用脉冲 宽度调制。
⑩ 点制冷：应用热电制冷器，可以做到对单独的单 元或者很小的区域进行制冷，因此可以避免冷却 整个封装器件或外壳时可能造成的能源浪费。
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（3）利用seebeck效应，由热生电
温差发电材料，主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe等合金材料。
半导体温差发电机的特点是：无噪声、无磨损、无振动、可
靠性高、寿命长；维修方便；易于控制和调节，可全天候工
作；可替代电池。
半导体温差发电机的热源：煤油、石油气以及利用Pu238、
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3、软件模拟与实验的结合
origin软件 Kaleidagraph软件
sr209200/3、/28 Po210等放射性同位素。
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4、帕尔贴(Peltier)效应
（1）定义：即电流通过两个不同导体形成的接点时，接点 处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。又称第二 热电效应。
热电材料的研究及其应用23页PPT
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍
热电材料的性能研究及应用
热电材料的性能研究及应用第一章热电材料的概述热电材料，即热电效应材料，是指能够将热能直接转化为电能的一类材料。
热电材料广泛应用于能源转化、温度控制、节能降耗等领域，具有重要的应用价值。
热电材料的工作原理是基于热电效应，即在材料中通过热差动力调节的电荷运动（改变温度差的方向和大小），完成热能向电能的转化。
热电材料的性能指标包括热电系数、电导率、电子迁移率、载流子浓度和热导率等。
热电材料的基本分类包括金属热电材料、半导体热电材料、磁性热电材料等，其中半导体热电材料的研究最为广泛。
第二章热电材料的性能研究热电材料的性能研究主要集中在热电系数和热导率方面。
热电系数是衡量热电材料热电转换能力的重要指标，其大小受到电子迁移率、载流子浓度等因素的影响。
提高热电系数是提高热电材料性能的关键。
热导率是热电材料中电子和声子在传输中对热量的耗散能力的度量指标。
较低的热导率有利于提高热电材料的转换效率。
热电材料性能研究的方法主要包括材料合成方法、材料结构调控和表面改性、缺陷控制等。
第三章热电材料在能源转化中的应用热电材料在能源转化中的应用主要包括热电发电、温差发电、太阳能电池等方面。
热电发电是一种直接将热能转化为电能的技术。
热电发电器利用热电材料的热电效应转化热能为电能，其热源可以是各种热源，例如汽车废气、火电厂废热、太阳能等。
热电发电具有体积小、重量轻、使用寿命长等优势。
温差发电技术是一种通过利用两个不同温度之间的热差，将热能转化为电能的技术。
在温差发电材料中添加热电材料可以有效提高转换效率，减少能量浪费，将温差能转化为电能，从而为实现节能减排作出贡献。
太阳能电池利用半导体材料中的光电效应将光能转换为电能。
将热电材料与太阳能电池结合使用，可以减少太阳能电池因温度变化而引发的效率变化，提高光电转换效率。
第四章热电材料在温度控制中的应用热电材料在温度控制领域中的应用主要包括温度传感器和温控器等方面。
利用热电材料特有的热电效应，可以将物体表面的温度转化为电信号。
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四、热电材料的研究现状与发展
降低晶格热导率
晶格热导率是唯一一个不由电子结构决定的参数
(a) 低温时 （ ≤ 40 K） 处于激发态声子数量少，波长较长，声子散射弱
(b) 高温时 （Debye温度以上） 比热Cv接近理想值3R
Tm：材料的熔点；ρ：密度； γ：Grneisen常数 ε：原子热震动振幅；A：原子平均重量
无运动部件、无噪声 易于控制、可靠性高 容易微型化 寿命长
＋
N-type element
P-type element Heat Sink
Ceram
ーic
plate
热电器件模型
热电器件实物图
三、热eltier效应 制冷
四、热电材料的研究现状与发展
ZT
Seebeck现象
热电材料的研究分类
处于研究中的热电材料： ➢ 合金体系
1.低温区材料（300～400℃）：Bi2Te3, Sb2Te3, HgTe等及它们的固溶 体；
2.中温区材料（～700℃）：PbTe, Mg2Si， SbTe, Bi(SiSb2)，TAGS （Te-Al-Ge-Ag）等；
3.高温区材料（≥700℃）：CrSi2,, CoSb3等。
式中S为seebeck系数，它的大小和符号取决于两种材料的特性 和两结点的温度。原则上讲，当载流子是电子时，冷端为负，S是 负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端为负，S是正值。
二、热电材料介绍
(2) Peltier效应
1834年，法国钟表匠Pletier发现了Seebeck效应的逆效应，即电流通过两 个不同导体形成的接点时，接点处会发生放热或吸热现象，称为Peltier效应。
二、热电材料介绍
热电材料性能表征
热电材料性能，可用无量纲优值Z T来描述
S：Seebeck系数 λ：热导率 k σ：电导 率 α2 σ ：功率因子 P
二、热电材料介绍
提高热电性能的途径
Z 2
提高α 增加σ 降低λ
晶体的结构 化学成分 能带结构
kλ=ke+kl
ke：电子热导率，kl：晶格热导率
2.0
主要是金属
1.0
0.5 1834
1821 1855
Ioffe提出半导体 热电理论
Bi2Te3、PbTe SiGe
AgPb18SbTe20 NaCoO2、
Zn4Sb 方钴矿
量子点、
量子线、 超晶格等
纳米复合
低维热电材料
1949
1990
2004
201（1 年）
四、热电材料的研究现状与发展
热电材料研究和应用的瓶颈
四、热电材料的研究现状与发展
热电材料低维化
首先，热电材料 低维化提高了费 米能级附近的状 态密度，导致载 流子有效质量相 应增加，因而 Seebeck系数增大。
其次，由于声 子的量子禁闭 效应和多层界 面声子散射的 增加，导致低 维热电材料的 热导率降低。
➢ 氧化物体系
层状金属氧化物：NaCo2O4, Ca3Co4O9
耐高温 抗氧化
钙钛矿复合型氧化物 RMnO3,RCoO3,CaTiO3,SrTiO3
优点
使用寿命长 制备工艺简单
透明导电氧化物（TCO） ZnO基，ＮiO基,SnO2基,In2O3基
环境友好 品种多
三、热电材料的应用
热电材料制作的热电器件 Heat Source
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。
二、热电材料介绍
(1) Seebeck效应
1823年，德国人Seebeck首先发现当两种不同导体构成闭合回 路时，如果两个接点的温度不同，则两接点间有电动势产生，且 在回路中有电流通过，即温差电现象或Seebeck效应。
热电材料的研究及其应用
摘要
热电材料是一种将热能和电能直接相互转换的 功能材料。p型高锰硅（SiMnx, x=1.73-1.75）基热电 材料和n型Mg2Si基硅系热电材料是有望成为中温区 （300~500℃）发电用的环境友好型热电材料。本课 题选取本实验自制的高性能SiMnx基及Mg2Si基两种 热电材料为基材，研制出热电发电器件模块，并系统 研究硅系热电材料、电极材料及绝缘材料之间的界面 状态及焊接方法对转换效率的影响，为高性能硅系热 电发电器件的制备提供研究基础和依据
一、背景及研究意义
1.能源问题推动了热电材料的研究（能源短缺）
一、背景及研究意义
❖2.能源利用率过低（ 提高空间很大）
利用热电材料制作的器件可以很好地利用废弃能源， 提高能源利用率。
二、热电材料介绍
热电材料定义
热电材料（也称温差电材料，thermoelectric materials）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。
半导体中 ke«kl
1. 形成固熔体结构，通过点阵缺陷提高声子散射几率 2. 通过热电材料中晶体结构中的孔隙位置填入杂质原子 3. 通过细化晶粒增加晶界散射降低热导率 4. 低维化利用纳米量子点增加热传导声子散射
Slack提出电子晶体声子玻璃(PEGS)假设， 并计算了热电优值上限为ZT≈ 4
二、热电材料介绍
提高热电优值ZT的困难在于热电 材料自身的Seebeck系数、电导率和 热导率不是相互独立的，而是都取 决于材料的电子结构以及载流子的 传输特性。例如，当通过提高载流 子浓度和载流子迁移率来提高电导 率时，不仅会增大载流子对热传导 的贡献，造成热导率增大，而且往 往会降低Seebeck系数。正是由于这 三个物理量不能同步调节，热电优 值和热电转换效率很难大幅度提高， 使得传统块状热电材料的推广应用 面临巨大障碍。
选择材料
1. 材料的熔点越低， 晶格热导率越小
2. 原子平均质量越重， 晶格热导率越小
3. 密度越小，也就是 原子间距离越大，
晶格热导率越小
增加声子散射
1. 合金化－－引入点缺陷（原子质量波动）－－如固溶体等－－散射短波长声子 2. 晶界散射－－引入大量晶界－－如球磨、纳米结构、超晶格－－散射长波长声子 3. 纳米尺度成分不均匀材料－－成分波动、界面应力等－－散射中程波长声子 4. 增大晶格周期－－结构复杂、声子平均自由程缩短－－散射短波长声子 5. 声子玻璃电子晶体－－声子衰减效应－－散射短波长声子