面向余熱利用熱電材料及器件研究.pdf

1、熱電材料是一種基于塞貝克效應和帕爾貼效應，實現電能和熱能直接轉換的功能材料。熱電材料已經成為熱電制冷、熱電發(fā)電等前瞻性、戰(zhàn)略性新能源技術關鍵材料。碲化鉍基合金材料作為目前室溫附近性能最優(yōu)的熱電材料，已廣泛應用于航天航空、微電子、特殊電源等領域。由于在中低溫區(qū)200-300℃，碲化鉍基熱電材料較低的熱電性能限制了其應用的進一步拓寬，因而開展優(yōu)化碲化鉍基熱電材料在中低溫區(qū)的熱電性能研究具有重要的實際應用意義。
　　首先，本文探究了多價

2、態(tài)元素與P型碲化鉍基體的復合對材料熱電性能的影響變化規(guī)律。采用搖擺熔融與區(qū)域熔煉相結合的方法，制備了Bi0.5Sb1.5Te3/In2Te5復合熱電材料。通過合理控制實驗條件，利用銦元素的多價態(tài)特性，實現材料電、熱輸運特性的協(xié)同調控。其次，通過在碲化鉍基體中摻雜SnTe制備了Bi0.5Sb1.5Te3/SnTe固溶合金熱電材料，進一步研究區(qū)域熔煉與放電等離子燒結相結合的制備工藝，對所制備的Bi0.5Sb1.5Te3/SnTe固溶合金熱電

3、材料性能的影響規(guī)律。最后，在上述試驗研究基礎上，優(yōu)選出性能較好的Bi0.5Sb1.5Te3/In2Te5復合熱電材料，與商用N型碲化鉍基材料組裝成熱電器件并測定其性能。主要研究結果如下：
　　1．在Bi0.5Sb1.5Te3基體材料中添加InSb，制備Bi0.5Sb1.5Te3/In2Te5復合熱電材料。利用InSb中In元素的多價態(tài)特性，在InSb與基體發(fā)生置換過程中，在Bi0.5Sb1.5Te3基體中析出In2Te5第二相。研

4、究發(fā)現，多種尺寸的第二相、晶界對不同平均自由程的聲子進行散射，有效地降低了晶格熱導率，InSb的引入同時對能帶工程進行調控，實現能帶簡并，促使本征激發(fā)溫度向高溫區(qū)偏移。
　　2．由于能帶工程的調控，使得 Seebeck系數在300-550K間隨溫度的升高而增加。同時，載流子濃度的大幅提高有利于電學性能的優(yōu)化，基于上述電、熱輸運特性的協(xié)同調控，InSb的引入極大地提高了復合材料在中低溫區(qū)的ZT值。在550K時，其ZT峰值高達1.14

5、，提高至原來基體材料（ZT=0.38）的3倍。
　　3.在碲化鉍基熱電材料中摻雜SnTe，采用區(qū)域熔煉工藝制備Bi0.5Sb1.5Te3/SnTe固溶合金熱電材料。SnTe在基體中引入大量結構缺陷，調節(jié)載流子濃度；同時，結構缺陷的引入有效地增強聲子散射，降低材料晶格熱導率；同時，能帶簡并和固溶合金的形成分別使得塞貝克系數和電導率的都有較大幅度的增加；最終使得材料的在550K時 ZT值提升至0.7，較基體材料（ZT=0.38）提高了

6、近一倍。
　　4.選用性能最佳組分設計的Bi0.5Sb1.5Te3/SnTe固溶合金樣品，粉碎、過篩、進行放電等離子燒結（SPS），由于粉碎引入大量界面，增強載流子和聲子散射，進一步地降低材料的熱導率；同時，使得電導率有一定幅度的降低，塞貝克系數有一定幅度的增加。最終測得材料ZT峰值幾乎不變，但是在300-550K整個測試溫區(qū)，平均ZT值達到0.56。
　　5.在上述實驗基礎上，選用性能最優(yōu)的P型Bi0.5Sb1.5Te3/