热压织构化p型碲化铋基材料的制备及热电性能研究
发布时间：2021-06-01 21:46
碲化铋（Bi2Te3）基材料在近室温区半导体制冷和热电发电方面具有广泛而重要的应用。然而商业化区熔碲化铋材料存在机械性能较差、易解理等问题,不仅材料利用率较低,而且也容易造成器件失效。因此,需要提升碲化铋材料的力学和热电综合性能,以满足更广泛的应用需求。本论文以p型Bi SbTe为研究对象,通过复合室温低热导率的AgSbTe2材料,优化电学性能的同时降低了热导率,实现了材料综合性能的提升。并且,采用热变形工艺制备了多晶块体BiSbTe材料,探究了不同温度下热变形样品热电性能,优化出了最佳的热变形温度。在此基础上,利用Cu掺杂降低材料的晶格热导率,进一步优化了p型Bi SbTe材料的热电性能。具体研究内容如下:1.通过热压烧结工艺制备了Bi SbTe-x wt%Ag SbTe2（x=0,0.05,0.1,0.2）复合材料;AgSbTe2复合在优化载流子浓度的同时对载流子迁移率的影响较少,当复合量为0.1 wt%时,功率因子在300 K达到最大值46μW cm-1
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热电发电与制冷的两大效应：塞贝克效应和帕尔贴效应
燕山大学工学硕士学位论文-2-效率。热电材料转换效率（η）是评价热电器件好坏的主要标准，由材料的热端温度（Th），冷端温度（Tc）以及平均热电优值（ZTave）决定。具体表达式如下：η=Th-TcTh[√1+ZTave-1√1+ZTave+TcTh]（1-1）由热电材料转换效率表达式可知，在冷端温度Tc确定的情况下，热电转换效率η仅与热端温度Th和平均热电优值ZTave有关。如图1-2所示，当ZTave为定值时，Th越高，η越大，另一方面，当Th为定值时，ZTave越大，η也越大。因此，当温差一定时，提高ZTave是提升材料热电转换效率的唯一方式。当ZTave=1时，转换效率可达10-15%。若ZTave达到2以上，热电装置的转换效率就可比拟传统的发电装置。图1-2在给定的冷端温度下，热电转换效率随热端温度的变化关系图[5]目前，大多数的热电材料的ZTave都低于1，远远达不到实际应用的要求。另一方面，大量的理论研究表明，当热电优值ZT能够足够大时，热电材料的发电效率能够无限逼近于卡诺循环效率，从而实现材料大规模商业化应用。因此，寻找并设计高性能的热电材料，通过调控其组分与结构来提高材料的热电发电转换性能具有重要的意义。1.2热电性能评估参数与优化策略1.2.1热电性能评估参数1910年，德国科学家Altenkirsch首次提出“热电优值，Thermoelectricfigureof
第1章绪论-3-merit”这一词，他认为热电材料应当具有以下几点特征：高的塞贝克系数、高的电导率、低的热导率。1955年，在前人的研究基础上，前苏联科学家Ioffe提出无量纲优值ZT与材料的Seebeck系数、电导率、热导率、温度有关，并明确给出了如下的具体表达式[6]:ZT=S2σκT（1-2）其中，S是Seebeck系数（单位为uVK-1），σ是电导率（单位为Scm-1），是热导率（单位为Wm-1K-1）。从本质上来说，材料的热电优值是由两部分组成的，即电学性能和热学性能，其中电学性能（S2σ）被定义为功率因子（PF），热学性能由电子热导率ele和晶格热导率lat两部分组成。图1-3塞贝克系数S、电导率σ、功率因子S2σ、电子热导率ele、晶格热导率lat、总热导率、ZT值与载流子浓度n的变化关系图[7]图1-3给出了各个热电参数与载流子浓度之间的变化关系。材料中的塞贝克系数S、电导率σ、热导率相互制约，呈现此消彼长的变化趋势。随着载流子浓度的增大，电导率提高，而塞贝克系数会降低，热导率也会提高。唯一独立的参数是晶格热导率lat，它仅与材料的比热容、声子传输速度以及声子平均自由程有关[8]。从热电优值ZT曲线可以看出，当材料的载流子浓度位于1019-1020cm-3之间时，ZT才能取得最大值。总而言之，只有综合考虑所有热电参数，才能获得最佳的热电性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]热电能源材料研究进展[J]. 赵立东,张德培,赵勇. 西华大学学报(自然科学版). 2015(01)
[2]热电材料研究的现状与发展趋势[J]. 任志锋,刘玮书. 西华大学学报(自然科学版). 2013(03)
博士论文
[1]面向制冷和发电应用的（Bi,Sb）2（Te,Se）3热电材料：制备和性能优化[D]. 徐钊君.浙江大学 2017
[2](Bi,Sb)2（Te,Se）3合金的多尺度微观结构及其热电性能优化[D]. 胡利鹏.浙江大学 2015
本文编号：3210211
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
热电发电与制冷的两大效应：塞贝克效应和帕尔贴效应
燕山大学工学硕士学位论文-2-效率。热电材料转换效率（η）是评价热电器件好坏的主要标准，由材料的热端温度（Th），冷端温度（Tc）以及平均热电优值（ZTave）决定。具体表达式如下：η=Th-TcTh[√1+ZTave-1√1+ZTave+TcTh]（1-1）由热电材料转换效率表达式可知，在冷端温度Tc确定的情况下，热电转换效率η仅与热端温度Th和平均热电优值ZTave有关。如图1-2所示，当ZTave为定值时，Th越高，η越大，另一方面，当Th为定值时，ZTave越大，η也越大。因此，当温差一定时，提高ZTave是提升材料热电转换效率的唯一方式。当ZTave=1时，转换效率可达10-15%。若ZTave达到2以上，热电装置的转换效率就可比拟传统的发电装置。图1-2在给定的冷端温度下，热电转换效率随热端温度的变化关系图[5]目前，大多数的热电材料的ZTave都低于1，远远达不到实际应用的要求。另一方面，大量的理论研究表明，当热电优值ZT能够足够大时，热电材料的发电效率能够无限逼近于卡诺循环效率，从而实现材料大规模商业化应用。因此，寻找并设计高性能的热电材料，通过调控其组分与结构来提高材料的热电发电转换性能具有重要的意义。1.2热电性能评估参数与优化策略1.2.1热电性能评估参数1910年，德国科学家Altenkirsch首次提出“热电优值，Thermoelectricfigureof
第1章绪论-3-merit”这一词，他认为热电材料应当具有以下几点特征：高的塞贝克系数、高的电导率、低的热导率。1955年，在前人的研究基础上，前苏联科学家Ioffe提出无量纲优值ZT与材料的Seebeck系数、电导率、热导率、温度有关，并明确给出了如下的具体表达式[6]:ZT=S2σκT（1-2）其中，S是Seebeck系数（单位为uVK-1），σ是电导率（单位为Scm-1），是热导率（单位为Wm-1K-1）。从本质上来说，材料的热电优值是由两部分组成的，即电学性能和热学性能，其中电学性能（S2σ）被定义为功率因子（PF），热学性能由电子热导率ele和晶格热导率lat两部分组成。图1-3塞贝克系数S、电导率σ、功率因子S2σ、电子热导率ele、晶格热导率lat、总热导率、ZT值与载流子浓度n的变化关系图[7]图1-3给出了各个热电参数与载流子浓度之间的变化关系。材料中的塞贝克系数S、电导率σ、热导率相互制约，呈现此消彼长的变化趋势。随着载流子浓度的增大，电导率提高，而塞贝克系数会降低，热导率也会提高。唯一独立的参数是晶格热导率lat，它仅与材料的比热容、声子传输速度以及声子平均自由程有关[8]。从热电优值ZT曲线可以看出，当材料的载流子浓度位于1019-1020cm-3之间时，ZT才能取得最大值。总而言之，只有综合考虑所有热电参数，才能获得最佳的热电性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]热电能源材料研究进展[J]. 赵立东,张德培,赵勇. 西华大学学报(自然科学版). 2015(01)
[2]热电材料研究的现状与发展趋势[J]. 任志锋,刘玮书. 西华大学学报(自然科学版). 2013(03)
博士论文
[1]面向制冷和发电应用的（Bi,Sb）2（Te,Se）3热电材料：制备和性能优化[D]. 徐钊君.浙江大学 2017
[2](Bi,Sb)2（Te,Se）3合金的多尺度微观结构及其热电性能优化[D]. 胡利鹏.浙江大学 2015
本文编号：3210211
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