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它,注熱電測量技術,助力用戶再發Science!

發布時間: 2022-08-16  點擊次數: 22次

導讀:當今,化石能源短缺和環境污染問題凸顯,能源的多元化和高效多用成為解決能源與環境問題的個重要途徑。作為種綠色能源技術和環保型制冷技術熱電轉換技術受到學術界和工業界的廣泛關注。熱電轉換技術是用材料的塞貝克效應與帕爾貼效應將熱能和電能進行直接轉換的技術,包括熱電發電和熱電制冷。這種技術具有系統體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣等點。熱電器件可以實現熱能和電能的直接轉換,在廢熱回收和固態制冷域具有重要的研究價值,對熱電發電器件的能量轉換效率進行準確測量是評價熱電材料和器件性能的重要基礎。

 

熱電轉換技術是項基于半導體材料的新能源技術?;诓牧系娜惪诵团翣栙N效應,該項技術能夠實現溫差發電和通電制冷的效果,其分別在工業廢熱回收用和電子制冷域有著重要的應用。相比于傳統能源轉換技術,熱電轉換技術具有器件尺寸高度可控、可靠性高、無運動部件、無污染和無噪音等勢。溫差發電可應用于深空探測中的放射性同位素溫差發電電源,如“好奇號”火星探測器,“旅行者1號”行星探測器都通過使用放射性同位素熱電發生器來發電。電子制冷具有無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、重量輕等點,且工作可靠,操作簡便,易于進行冷量調節,常用于耗冷量小及空間狹窄的場合,如電子設備和無線電通信設備中重要元件的冷卻,這對于未來通訊、物聯網、5G芯片的微型電子器件等域的準確溫控具有重要意義。

 

熱電材料性能指標的關鍵在于能源轉換效率,其由材料的無量綱熱電性能值(ZT值)決定。由ZT值的定義式(ZT = (Sσ/κ)T)可知,在給定溫度T下,高性能熱電材料應具有大的塞貝克系數S、高的電導率σ和低的熱導率κ。然而,這些熱電參數相互之間具有強烈的耦合關系,這使得熱電材料的性能化很有挑戰性,調控這些強烈耦合的復雜熱電參數是提高材料ZT值和熱電轉換效率的關鍵。隨著熱電材料域的研究越來越受重視,不斷涌現出了諸多提升ZT值的有效策略:化載流子濃度以提高電導率;調整電子能帶結構、晶體結構、相結構等化電傳輸性能;通過引入點缺陷、位錯、晶界、納米沉淀物等進行多尺度分層架構設計以降低熱導率;探索和開發具有本征低熱導率性的新材料體系;通過高通量及基于基因計算等預測潛在熱電材料等。

 

南方科技大學何佳清團隊將高熵穩定的策略用于協同調控材料的電、熱傳輸性能,并成功應用于n型硒化鉛基熱電材料,通過解耦電熱傳輸機制實現了熱電性能的大幅提升,相關成果發表在《Science》上[1]。

 

在近期的工作中,何佳清團隊再進步,將這化策略擴展應用到p型碲化鍺基(GeTe)熱電材料中。相關工作以《High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics》為題發表于《Science》上[2]。在由高熵穩定獲得的超低晶格熱導率基礎上,通過調控電子局域化程度,避免了無序引入對電子傳輸的影響,從而使高熵碲化鍺基材料的電性能得到了顯著提升。這種電性能和熱性能的協同化,很大程度提高了材料的熱電值,同時還實現了超高的器件轉換效率,有于高熵穩定概念在高性能熱電材料開發中的應用。

 

 

 

在碲化鍺基材料中鍺原子位置人為地引入多種原子,從而實現高熵策略。使用原位差分相襯掃描透射電子顯微術(DPC-STEM)來表征材料中引入多種元素后帶來的電子轉移和重排,發現在純的碲化鍺材料中,鍺和碲原子之間的電子存在很強的耦合效應,而通過多元素固溶的高熵碲化鍺能夠穩定晶體結構,鍺原子會從菱形的偏離中心位置向幾何中心位置移動,從而實現不同原子之間耦合電場的解耦效應,在超低晶格熱導率的前提下化了材料的電性能,從而提高了材料的熱電值(zT)[3]。

 

圖1. 碲化鍺基熱電材料(Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te)的電導率(A)、塞貝克系數(B)、功率因子PF(C)、熱導率(D)、晶格熱導率(E)、熱電值zT(F)與溫度(T)的關系

    

工作中分別使用Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te以及其他商用材料制作了單及分段器件(TEG)并對其熱電轉換效率進行了測量,分別高達10.5%與13.3%。

 

圖2. (A) Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te的zT值與溫度(T)的關系(以及與其他工作的比較)(B) 本工作中制成的多個器件的熱電轉換效率與溫差(ΔT)的關系(以及與其他工作的比較)

 

本工作中材料的高溫電輸運性能(塞貝克系數S及電導率σ)使用日本Advance Riko公司生產的塞貝克系數/電阻測量系統ZEM-3測得,發電器件的發電量及熱電轉換效率使用日本Advance Riko公司生產的熱電轉換效率測量系統PEM-2測得。

 

日本Advance Riko公司已業從事“熱”相關技術和設備的研究開發近60年,并直走在相關域的前端,為世界各地的科學研究及生產活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數測量等系統。2018年初,Quantum Design 中國公司將日本Advance Riko公司的進熱電材料測試設備:小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM、塞貝克系數/電阻測量系統ZEM、熱電轉換效率測量系統PEM及大氣環境下熱電材料性能評估系統F-PEM引進中國。

 

2018年7月,Quantum Design中國與日本Advance Riko達成協議,作為其熱電材料測試設備在中國的代理商繼續合作,攜手將日本Advance Riko進的熱電相關設備介紹到中國。

 

目前,所有中國用戶購買的日本Advance Riko熱電產品,均由Quantum Design中國公司的工程師團隊負責安裝及售后服務。同時,Quantum Design 中國公司在日本Advance Riko公司的協助下,在北京建立部分熱電設備示范實驗室和用戶服務中心,更好的為中國熱電技術的發展提供設備支持和技術服務。

 

參考文獻:

[1] B. Jiang et al., High-entropy-stabilized chalcogenides with high thermoelectric performance,  Science 371, 830–834 (2021)

[2] B. Jiang et al., High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics, Science 377, 208–213 (2022)

[3] 南科大何佳清團隊在Science發表高熵熱電材料研究論文,南方科技大學新聞網

 

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相關產品

1、塞貝克系數/電阻測量系統-ZEM

https://www.chem17.com/product/detail/28990551.html

2、熱電轉換效率測量系統-PEM

https://www.chem17.com/product/detail/28990635.html

 

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