热电材料ZT值的测量研究

热电材料能直接将热能和电能相互转化,与传统的热机相比,热电材料具有无运动部件、无噪音、体积小等优点,因此在余热回收等领域具有利用潜力,然而受限于热电材料的现阶段的性能,大部分研究并未得到实际的应用,为提高热电材料的性能,精确测量材料的性能参数ZT值具有重要意义。本研究推导出了一种简单的ZT值的测量方法,将ZT值的测量转化为热流的测量,即仅需要测量最大和最小两种情况下热电材料冷端表面的热流,便可计算出出ZT值。本文搭建了测试平台,并利用此方法对某热电模块的ZT值进行了测量。

三元PbBi_(2)S_(4)凝固生长与热电性能研究

三元PbBi_(2)S_(4)是一种具有本征低晶格热导率的潜力热电材料,但低的电传输性能制约了其热电性能。本工作利用Bridgman法制备了高质量的三元PbBi_(2)S_(4)晶体铸锭,由于减少晶界密度,降低晶界对载流子传输阻碍,电传输性能大幅度提升。通过优化生长条件获得不同质量的三元PbBi_(2)S_(4)晶体铸锭,最优加权载流子迁移率从多晶中15 cm^(2)/(V·s)提升到56 cm^(2)/(V·s),使三元PbBi_(2)S_(4)晶体铸锭的最大电导率和功率因子分别达到1049 S/cm和4.6μW/(cm·K^(2)),相比多晶PbBi_(2)S_(4)样品分别提高了850%和~64%。最终,PbBi_(2)S_(4)晶体铸锭的最大ZT值在773 K温度下达到0.61。结果表明,通过凝固生长高质量晶体铸锭能显著优化三元PbBi_(2)S_(4)化合物全温区热电性能。

高压制备多晶Te掺杂Bi_(2)Se_(3)热电材料性能的研究

该文采用高温高压法合成了多晶Bi_(2)Se_(3-y)Te_(y)(y=0.1,0.3,0.5)样品。XRD对所有样品的物相分析表明,合成压力1GPa时获得的样品均为Bi_(2)Se_(3)基纯相样品。随后测试的所有样品的Seebeck系数均为负值,表现出典型的n型导电特性。热电参数测试结果表明Bi_(2)Se_(2.5)Te_(0.5)样品具有较优的热电性能,Seebeck系数绝对值和功率因子在567K附近分别达到最大值90.5μVK^(-1)和783.2μWm-1K2。同时,在整个测试温度范围内热导率随温度的升高而降低,最小值为1.76W/mK。最终,Bi_(2)Se_(2.5)Te_(0.5)样品的无量纲优值ZT在567K附近达到最大值0.25。

纳米硅锗热电材料和纳米器件的研究进展

近年来,纳米技术逐渐被用来设计和制备硅锗(Si-Ge)热电材料和新型器件。为了提高Si-Ge热电材料的热电性能,研究学者利用各种纳米结构对Si-Ge热电材料进行了理论研究。其中,利用纳米线、超晶格和量子点等结构中的能带机理与散射机理,从理论上设计了降低Si-Ge纳米结构热导率和提高其功率因子的途径。同时,高效的Si-Ge纳米热电材料被制备出来,包括纳米块体材料的热电性能得到大幅度提高,室温下薄膜和纳米线的热电性能实现了重大突破。在高性能材料的基础上,新型Si-Ge纳米热电器件的研发除了关注于制备工艺优化外,还包括传热结构和原型器件的设计。

Ag掺杂对SnSe材料热电性能的影响

硒化锡热电材料作为一种极具研究前景的功能材料,其单晶ZT值可达2.6。但由于单晶制备工艺的复杂性及应用限制,现研究主要集中于多晶硒化锡的制备与研究。采用真空熔炼及淬火-退火等工艺并结合放电等离子体烧结技术制备了Ag掺杂的Ag_xSn_(1-x)Se(0.005≤x≤0.02)多晶热电材料。结果表明,Ag的掺入明显改善多晶SnSe的载流子浓度,同时保留较高的塞贝克系数,使得材料的电学性能显著提高。当Ag的掺杂量x=0.01时,Ag_(0.01)Sn_(0.99)Se具有相对较高的热电优值,于773K时平行于压力及垂直压力方向分别可达0.66和0.69。

灰锡自溶剂法Ba/Eu复合填充Ⅷ型Sn基单晶笼合物的制备及电传输特性

采用灰锡自溶剂法制备Ⅷ型Sn基单晶笼合物,并通过Eu对其进行掺杂。研究表明所制备样品均为空间群为I43m的p型Ⅷ型Sn基单晶笼合物,Eu原子趋于取代Ba原子,且随着Eu元素起始含量的增加,材料晶格常数减小,熔点升高,较低的载流子浓度与较高的载流子迁移率使得材料Seebeck系数与电导率都有所提升,Eu起始含量x=0.50的样品其ZT值在480 K处获得最大值0.87。

稀土-铜共掺对CaMnO_3热电性能的影响

采用固相反应法制备CaMnO3热电材料,研究Ca位分别掺Pr和Ce,Mn位掺Cu对CaMnO3材料热电性能的影响。结果表明:Pr-Cu共掺和Ce-Cu共掺都没有改变材料的晶体结构,随着掺Cu量的增加,CaMnO3热电材料的Seebeck系数的绝对值、电阻率和热导率都呈现先降低后增加的变化趋势;掺Cu能够适当提高样品的功率因子和ZT值;当掺Pr量摩尔比为0.01,掺Cu量摩尔比为0.05,测试温度为973 K时ZT值达到0.088;当掺Ce量摩尔比为0.05,掺Cu量摩尔比为0.02,测试温度为973 K时ZT值达到0.08。

球磨工艺调控碲化铋基材料微结构及热电性能研究

碲化铋基化合物是室温附近性能最佳的热电材料,在余热回收以及固态制冷领域具有重要的应用价值.其主要的制备方式是球磨法,各类参数的细微变化都可能影响材料的微结构和热电性能.球磨时间作为重要的球磨参数既能影响粉末粒径的细化,也对材料的热电性能有所调控,因此亟需逐步分析球磨时间对晶体结构、粒径尺寸及产物热电性能的影响.本文采用恒定的球磨转速,调节不同球磨时间制备碲化铋基材料.通过晶体结构及粉体粒径的分析发现了晶粒对球磨时间的响应.后续热电性能测试结果表明,增加球磨时间后粒径发生变化并导致了电子、声子输运模式的协同改变.最终,有效提升了n型与p型碲化铋的最大ZT值,分别达到了0.91和1.11.本研究工作系统总结了球磨工艺中关键参数对碲化铋材料微结构及热电性能的影响,为粉末冶金及热电学的交叉融合及热电转换技术的商业化应用提供了实验和理论参考.

推进热电材料发展的新思路

由于能源短缺与不断增加的能源需求间的矛盾,为保证未来能源的安全性,需要一个多元化的能源组合结构。由于世界上有将近50%的能源输入以废热的方式被浪费掉,应用热电效应将这部分废热有效地转换为电能是一种重要的清洁、可再生能源技术。为了提高热-电转换效率,需要开发出具有高材料优值(ZT)的热电材料。然而,改善热电材料是一个复杂的多变量优化问题——即降低热导率、增加塞贝克系数和升高电导率。就近年来一些成功提高热电材料ZT值的思路和想法作简要的报道。

Nb掺杂Mo1–xWxSeTe固溶体的热–电输运性能优化

固溶结合掺杂是优化材料热电性能的有效途径。本研究采用固相反应结合等离子体活化烧结成功合成了一系列单相的Mo1-xWxSeTe(0≤x≤0.5)固溶体及其Nb掺杂产物。热电输运研究表明,W固溶结合Nb掺杂显著提高了Nb2yMo0.5-yW0.5-ySeTe固溶体的载流子浓度、载流子迁移率、电导率和功率因子,适当降低了样品的晶格热导率,进而显著提高了材料的热电优值ZT。随着Nb掺杂量的增加,掺杂引入的离散能级转变为连续的杂质能带,同步提升了载流子浓度和载流子迁移率。取向性研究发现,由于在平行方向晶格热导率较低,Nb2yMo0.5-yW0.5-ySeTe固溶体在平行烧结压力方向的ZT略优。最优组分Nb0.03Mo0.485W0.485SeTe在垂直于烧结压力和平行于烧结压力方向获得了最高ZT,分别达到0.31和0.36(@823 K),是目前MoSe2基热电材料获得的最好结果之一。后续通过优化掺杂元素来改善Seebeck系数和功率因子,将有望进一步提升MoSe2基化合物的ZT。

GeTe基温差电材料热压工艺研究

对使用粉末冶金热压法制备GeTe基温差电材料进行了研究。通过改变温度、压力等热压工艺参数制备不同的GeTe材料样品。然后分别测量它们的密度、电导率、塞贝克系数等性能参数。在对这些性能参数进行分析的基础上,优化了GeTe材料的热压工艺。按照上面的工艺,制备出了GeTe基温差电材料的样品。经测试其无量纲优值ZT在400℃下可以达到1.56。

CNTs/AgSbTe_(2)复合材料的制备及其热电性能

针对碳纳米管(CNTs)第二相易团聚的难题,通过CNTs的改性和超声分散的复合方法实现了CNTs在AgSbTe_(2)热电材料基体中的均匀分散,制备了CNTs/AgSbTe_(2)复合粉体,并通过放电等离子体烧结技术烧结成块体。均匀分散的CNTs与AgSbTe_(2)基体间形成能带弯曲势垒,散射了低能载流子,塞贝克系数大幅增加,功率因子在500 K处比基体提高了57%,而电导率保持几乎不变。并且CNTs存在大量界面和孔结构,对热导率的降低起到了积极的作用。当CNTs复合量为0.5%时,CNTs/AgSbTe_(2)复合材料的热电优值在500 K处最高为1.03,比基体AgSbTe_(2)提升了43%。

Ag掺杂多晶SnSe基热电材料的性能研究

近年来,由于环境污染与能源危机的日益严重,使得国内外学者对可再生能源的研究越发重视,热电材料因其能够实现电与热的直接转换而引起了广泛关注。但热电器件的转换效率较低限制了其实际应用,为了提高其转换效率,大部分研究工作都聚焦于提高热电材料的热电优值(ZT)上。SnSe是目前性能优良的中温热电材料,本文通过水热法和在低于传统烧结温度的条件下成功制备了Ag掺杂的多晶AgxSn_(1-x)Se(x=0.0025、0.005、0.0075)热电材料。结果表明,Ag的掺入明显改善了材料的载流子浓度,同时样品保持了较高的Seebeck系数,使得材料的电学性能显著提高。当x=0.0075时,Ag_(0.0075)Sn_(0.9925)Se具有相对较高的ZT值,800K时可达1.2,但是对该样品进行退火处理后ZT值有所降低,800 K时约为0.8。

Mg掺杂对CuRh2-2xMg2xO4陶瓷热电性能的影响

采用固相烧结和放电等离子烧结(SPS)法制备CuRh2-2xMg2xO4样品,研究不同Mg含量对CuRh2-2xMg2xO4热电材料物相组成,晶粒尺寸和热电性能的影响.通过对样品进行XRD,断口形貌SEM,热导率及Seebeck-电阻率进行测试分析,检测结果表明:Mg掺杂后CuRh2-2xMg2xO4X射线衍射峰的峰位较CuRh2O4标准PDF卡片整体偏移,晶格常数减小;掺杂后的样品晶粒尺寸减小,Mg的掺入使CuRh2O4的热导率下降,并且掺杂量越多,热导率越小;Mg掺杂改善了CuRh2O4的电学性能,提高了样品的电导率.当Mg掺杂量x=0.25时,试样CuRh1.5Mg0.5O4的ZT值取得最大值,在900℃下达到了0.182 28.