热电材料研究进展-骆军

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1、July-15-2010热电材料研究进展骆军中国科学院物理研究所A03组July-15-2010热电材料的研究背景热电材料及热电效应热电材料研究现状一维纳米结构热电材料纳米尺度成分不均匀热电材料(AgPbmSbTe2+m)July-15-2010热电材料的研究背景July-15-20101.热电材料受到前所未有的关注July-15-2010July-15-2010绿色能源：体积小重量轻结构简单坚固耐用无需运动部件无磨损无噪音无污染热电致冷July-15-2010II.热电材料及热电效应基础知识July-15-20101.什么是热电材料热电材料（也称温差电材

2、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。p型BixSb2-xTe3纳米晶Science320(2008)634.July-15-2010Seebeck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。式中S为seebe

3、ck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。July-15-2010Peltier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。July-15-2010(3)Thomson效应1854年，Thomson发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度时，就会产生可逆的热效应，称为Thomson效应。Peltier效应和Thoms

4、on效应都是电制冷（或电制热）效应，但是由于Thomson效应是一种二级效应，实际应用价值不大。July-15-2010热电性能优异的材料：※大的Seebeck系数※大的电导率※小的热导率2.如何衡量材料的热电性能效率高，则ZT和ΔT大，ΔT大意味着热导率小通常用无量纲热电优值zT来衡量材料的热电性能：July-15-2010III.热电材料研究现状July-15-20101.目前已发现的主要热电材料体系☆Bi2Te3/Sb2Te3体系☆PbTe体系☆SiGe体系☆CoSb3为代表的方钴矿型(Skutterudite)热电材料☆Zn4Sb3☆金属硅化物（如

5、β-FeSi2、MnSi2、CrSi2等）☆NaCo2O4为代表的氧化物等研究相对成熟热电性能好温度覆盖范围合适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0.8，可用于温差发电。SiGe体系多用于900K以上高温，但是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。July-15-20102.热电材料研究和应用的瓶颈提高热

6、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。热电转换效率多晶硅太阳电池的能量转换效率目前是15%左右，而最好的单晶硅太阳能电池是23%。☆成本昂贵发电成本是常规能源发电的十倍☆资源不足高纯多晶硅材料依赖进口July-15

7、-20103.热电材料的转机♦电子结构费米能级、有效质量、驰豫时间♦散射机制载流子（电子、空穴）散射声子散射☆电子晶体声子玻璃σ=neμμ=eτ/m*μ表示载流子的迁移率，τ代表载流子寿命。增大电导率——提高载流子浓度，降低载流子有效质量m*，这与上述增大Seebeck系数的要求正好相反。Seebeck系数与有效质量m*成正比，同时与载流子浓度n成反比增大Seebeck系数——提高费米能级附近的状态密度，增大载流子有效质量，降低载流子浓度。k=ke+kLke=LσT对于金属和半导体L=2.45×式中ke和kL分别是电子热导率和晶格热导率，其中晶格热导率约占

8、总热导率的90％，因此设法降低晶格热导率是提高材料热电性能的关键。