半导体热电材料的热电性能与制冷应用研究

发布时间：2020-11-11 07:01

　　 当今世界的能源缺乏与废热污染是非常棘手的问题,急需寻找新的解决办法,因此利用塞贝克效应进行温差发电、利用帕尔贴效应进行热电制冷,提供了解决能源与热能污染问题的新思路,热电材料的开发、优化及应用已成为新能源材料研究领域的重要课题。本论文从两方面来研究材料和器件的热电性能:一方面从热电材料的薄膜化来研究,制备薄膜热电器件,并对其性能进行调控研究;另一方面从热电制冷应用上的小型化来研究。在热电薄膜材料研究中,制备并探讨了电极和酸溶液处理对聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)薄膜的热电性能影响;制备了多晶碘铅甲胺钙钛矿(CH_3NH_3PbI_3)薄膜材料和器件,并利用光激发产生激发态等物理手段来调节和改进其热电性能,达到同时增大其电导率和塞贝克系数的目的。在热电制冷小型化研究上,测试并分析了不同P-N结对数、不同级联层数对半导体制冷片制冷性能的影响,并对小尺寸半导体热电片的制冷性能进行了分析,对其制冷应用的最佳经济性提供了指导与建议。最后,选用最合适的半导体热电片进行制冷冰箱的最优化的应用设计与研究,结合单片机技术制成了温度可调控的高精度半导体恒温制冷系统。主要研究结果如下:(1)热电薄膜材料研究上,制备了PEDOT薄膜和器件,发现膜厚和电极对PEDOT薄膜器件的热电性能有着显著影响;在150℃与温差8℃和厚度是2μm的条件下,Al(hot)/PEDOT:PSS/Au(cold)器件的塞贝克系数最大,可超过120μV.K~(-1),Au(hot)/PEDOT:PSS/Au(cold)器件中的电导率最大。在酸处理对PEDOT热电性能影响研究中,经过成膜前、后两次酸处理形成的PEDOT薄膜的电导率高达1643.04 S.cm~(-1),比纯的PEDOT电导率提高了约1000倍,同时也拥有较高的塞贝克系数为13.6618 mV.K~(-1),最后获得的功率因子为30.6665 nW.m~(-1.)K~(-2)。(2)在热电薄膜材料研究上,还制备了有机-无机碘铅甲胺钙钛矿薄膜和器件,运用光激发手段使得该薄膜的电导率从黑暗条件下的7.8×10~(-6) S.m~(-1)增加到光照条件下的4×10~(-5) S.m~(-1)。同时,当光强度从0增加到100%,塞贝克系数也从26μV.K~(-1)增加到-17 mV.K~(-1)。光照条件下的功率因子(PF)值为11.51 nW.m.K~(-2),比黑暗条件下的5.27×10~(-6) nW.m.K~(-2)的PF值提高了几个数量级。(3)在不同P-N结对数对单级热电片制冷性能影响的研究中,同一电流下,半导体热电片的P-N结对数越多,冷端温度相对越低,所产生的制冷温差与制冷量相对越大,制冷量相对越小。热电片的冷端温度随电流的增加而降低,所产生的制冷温差也随电流增加而增加,最后达到饱和,其制冷量和制冷效率都随电流的增加先增加后减小,存在最大制冷量和最佳制冷效率;当电流接近极限值时,其制冷效率趋近于0。在不同级联层数对多级热电片制冷性能的研究中,在同一电流下,级联层数越大,产生的冷端温度越低,制冷温差越大,但制冷量和制冷效率越小;小型尺寸(2.3×2.3 mm~2)下热电片的制冷量非常小,且在进行应用时对热端散热器的散热能力要求更高,因此制冷温差相对较小。(4)基于以上对热电片制冷性能的研究结果,对于容量为6 L的半导体冰箱,采用两个级联层数为二的二级热电片在热结构上对称安装、并联连接、热端采用水冷散热器、冷端采用风机吸热加速热量传递。实验结果表明,以上工况组成的半导体制冷冰箱拥有最佳的制冷性能,可以在60W的功率下实现37.1℃的制冷温差,与原装制冷工况相比,功率降低了29W的同时,制冷温差增大了13.6℃,半导体冰箱的制冷性能得到了大大的提升;最后结合单片机技术,设计控制电路,编写控制程序,制成了温度可智能调控的高精度半导体恒温制冷系统,恒温箱内温度值的精确度为±1℃,温度可控性良好。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB34;TB66
【部分图文】：

称为温差电动势 Epn。这个效应是由塞贝克在 1821贝克效应，也可以称作是温差电效应。的塞贝克效应的大小的参数为塞贝克系数 α，亦称为温差 = 。即温差电动势 Epn与温差 ΔT 成正比。令 T1=T料相对于某参考材料的塞贝克系数为： = 同的材料 p、n 所组成的热电偶，对应的塞贝克系数为 塞贝克系数 = ，两种材料通常取其绝对值相系数，并将 直接简化记作 α，即 =

电流是由电荷载流子在导体中运动形成，不同的材料中能级，当它从低能级向高能级运动时，需要从外界吸收能能量，能量在界面处以热的形式释放或吸收[15]。从导体n流向导体p，单位时间内在结点A处释放的热量 = 示单位时间内单位电流金属结点吸收（放出）热量的大小位为 V。 为正值时，结点表现为吸热，反之为放热。为 和 的P 型和 N 型半导体组成的热电偶，其帕尔贴 = 可逆的，因此 = 。

而 P 型、N 型半导体材料连接的结点处则不断从外界吸收热量成为冷端，两端形成温差，从而构成热电制冷器。如果改变电流的方向，可实现冷端和热端的切换。多个 P 型和 N 型热电偶串联起来构成多级热电制冷器，可以实现较大的温差，从而大幅度提高制冷效果。热电制冷目前已经实现或未来可能实现的应用领域主要有[31-37]：（1）军事领域中导弹、雷达等红外探测器的制冷；（2）医疗上白内障摘除片、胰岛素冷却器；（3）农业中的温度检测及控制系统；（4）实验室里各种恒温、高低温实验仪片；（5）日常生活中的汽车空调，车载小冰箱等；（6）电脑 CPU 等芯片的微型制冷器。温差发电和热电制冷装置因具有设备体积小、运行无噪音、工作寿命长、绿色无污染、发电和制冷迅速且工作稳定等优点，得到了广泛的应用，正受到越来越多的关注，并且随着对热电材料研究的深入及其热电性能的提高，热电技术将会给人类的生产和生活带来巨大的改变。
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本文编号：2878896