热电材料研究进展热电材料研究进展 研研 究究 生：孙生：孙 言言 指导老师：蒋指导老师：蒋 俊俊 2011-10-27u 现实意意义u 基本概念基本概念u 研究研究现状状u 预期目期目标报告内容报告内容.热电材料研究的材料研究的现实意意义1.1.能源短缺、环境污染、温室效应能源短缺、环境污染、温室效应2. 应用应用 （1）：热电制冷）：热电制冷n针对半导体热电制冷器件，在我市慈溪、余姚等地区有针对半导体热电制冷器件，在我市慈溪、余姚等地区有很大的产业集群，如饮水机、小冰箱、酒柜等很大的产业集群，如饮水机、小冰箱、酒柜等应用（应用（2）：热电发电）：热电发电美国、德国、日本、美国、德国、日本、韩国等汽车公司（韩国等汽车公司（ GM、 BMW、HONDA、大众、现、大众、现代等）正在开展相关代等）正在开展相关研发工作，研发工作，可节省油可节省油耗耗5%；国内相关研究；国内相关研究刚刚起步（上汽）刚刚起步（上汽）利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电，利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电，提高转换率；国家提高转换率；国家“973”计划、日本能源开计划、日本能源开发机构发机构NEDO、美国、美国DOE等均有所部署等均有所部署 聚光光伏太阳能辅助系统聚光光伏太阳能辅助系统利用燃烧热、地热、体利用燃烧热、地热、体表温差等热源，为野外表温差等热源，为野外作业、偏远山区、小型作业、偏远山区、小型电器、植入式医疗器械电器、植入式医疗器械等提供电能等提供电能.热电材料及材料及热电效效应1.什么是什么是热电材料材料 热电材料（也称温差电材料，thermoelectric materials）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。什么是什么是热电效效应 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。热电器件工作原理热电器件工作原理Heat SourceHeat SourceHeat SinkHeat SinkI IP P P PN N N NActive CoolingActive CoolingHeat RejectionHeat RejectionI IP P P PN N N N( (a) Power Generation Modea) Power Generation Mode( (b) Cooling Modeb) Cooling ModeSeebeck效应效应Peltier效应效应效应效应Cronin B V. Semiconductors are cool. Cronin B V. Semiconductors are cool. NatureNature. 2001, 413: 577578. 2001, 413: 577578热电发电热电发电热电发电热电发电热电制冷热电制冷热电制冷热电制冷Heat SourceHeat SourceP-type elementP-type elementN-type elementN-type elementCeramiCeramic c plateplateHeat SinkHeat Sink热电器件实物图热电器件实物图热电器件实物图热电器件实物图热电器件模型热电器件模型热电器件模型热电器件模型绿色能源：1.体积小2.重量轻3.结构简单4.坚固耐用5.无需运动部件6.无磨损7.无噪音8.无污染热电性能评价热电性能评价材料热电性能赛贝克系数电导率热导率优优异异异异热电热电性能：性能：性能：性能：SeebeckSeebeckSeebeckSeebeck系数大系数大系数大系数大电导电导率高率高率高率高热导热导率低率低率低率低.热电材料的研究材料的研究现状状热电材料的研究进展Chen G, et al. International Materials Reviews, 2003, 48(1):1-22.Venkatasubramanian, et,al. Nature (London) 413, 597 (2001).SeebeckSeebeck现象现象现象现象主要是金属主要是金属主要是金属主要是金属IoffeIoffe提出半导体提出半导体提出半导体提出半导体热电理论热电理论热电理论热电理论BiBi2 2TeTe3 3、PbTePbTeSiGeSiGeAgPbAgPb1818SbTeSbTe2020NaCoONaCoO2 2、 ZnZn4 4SbSb方钴矿方钴矿方钴矿方钴矿 量子点、量子点、量子点、量子点、 量子线、量子线、量子线、量子线、 超晶格等超晶格等超晶格等超晶格等 低维热电材低维热电材低维热电材低维热电材料料料料（年）（年）（年）（年）182118211949194919901990200420040.50.51.01.02.02.0ZTZT183418341855185519971997F高效热电材料与器件的研发既是相关产业发展需求，高效热电材料与器件的研发既是相关产业发展需求， 也是热电材料科学技术自身发展的重大需求也是热电材料科学技术自身发展的重大需求学术上受到前所未有的关注 美国：未来美国：未来5年研究开发计划年研究开发计划 能源部（能源部（DOE ） 宇航局（宇航局（NASA ） 国防部（国防部（DOD） 日本：日本： 通产省和科学技术振兴机构（通产省和科学技术振兴机构（JST） 热电材料与工业余热发电技术热电材料与工业余热发电技术 高效热电材料与太阳能热电转换技术高效热电材料与太阳能热电转换技术 欧盟欧盟：从第六框架计划（从第六框架计划（FP6）开始，将热电材料列入）开始，将热电材料列入“可再生能源技术可再生能源技术” 予以重点支持予以重点支持 ZT 值：值： 2.0转换效率转换效率h h ： 20目目 标标ZT值：值： 2.0效率效率h h ：20热电材料科学技术热电材料科学技术相关新相关新 能能 源源 技技 术术重大突破重大突破政府的关注和支持主要的材料体系主要的材料体系SiGe体系PbTe体系Bi2Te3/Sb2Te3体系Skutterudite复杂氧化物金属硅化物高温高温中温中温低温低温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78），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500900 K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900 K以上，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。热电材料研究和应用的瓶颈热电材料研究和应用的瓶颈随着载流子浓度增加，随着载流子浓度增加， 和和均增加，均增加，却减小却减小合适的载流子浓度，合适的载流子浓度，尽量降低热导率尽量降低热导率热电优值热电优值：seebeckseebeck系数系数：电导率（与载流子浓度和迁移率有关电导率（与载流子浓度和迁移率有关）：热导率（包括声子热导和电子热导）热导率（包括声子热导和电子热导） = ne = e/ m*k= ke+kL 掺杂：改变费米能级的位置，优化电输运性能；掺杂：改变费米能级的位置，优化电输运性能；掺杂：改变费米能级的位置，优化电输运性能；掺杂：改变费米能级的位置，优化电输运性能；点缺陷（原子质量波动），增强声子散射点缺陷（原子质量波动），增强声子散射点缺陷（原子质量波动），增强声子散射点缺陷（原子质量波动），增强声子散射改善热电性能的途径改善热电性能的途径低维材料：低维材料：低维材料：低维材料：量子限域效应（超晶格等）量子限域效应（超晶格等）量子限域效应（超晶格等）量子限域效应（超晶格等）晶界散射：引入纳米结构（球磨、水热等）晶界散射：引入纳米结构（球磨、水热等）晶界散射：引入纳米结构（球磨、水热等）晶界散射：引入纳米结构（球磨、水热等）增强声子散射，增强声子散射，降低晶格热导率降低晶格热导率国外研究Dr Mildred DresselhausProfessors of MITDr Gang Chen Dr Z. F. Renprofessor of physics at Boston College国外研究Dr. Jeffrey Snyder a Faculty at Caltech.Mercouri KanatzidisFrom Northwest University国内研究 陈立东教授 上海硅酸盐研究所 唐新峰教授 武汉理工大学赵新兵教授 浙江大学.我我们的研究的研究Bi-TeBi-TeBi-TeBi-Te基热电材料基热电材料基热电材料基热电材料 Bi Bi2 2TeTe3 3的优势的优势的优势的优势uu重金属，分子量大，重金属，分子量大，重金属，分子量大，重金属，分子量大，seebeckseebeck系数较大系数较大系数较大系数较大uu层状结构，各向异性，电导与热导比值相对较大层状结构，各向异性，电导与热导比值相对较大层状结构，各向异性，电导与热导比值相对较大层状结构，各向异性，电导与热导比值相对较大uu层状结构，层间有利于实施掺杂改性层状结构，层间有利于实施掺杂改性层状结构，层间有利于实施掺杂改性层状结构，层间有利于实施掺杂改性影响因素影响因素 优化途径优化途径 通过成分设计与调控，优化载流子浓度，并使ZT峰值与工作温度相匹配化学组成显微结构研究重点研究重点如何优化如何优化ZTZT值？值？通过调节颗粒的尺度、形貌、定向分布，提高载流子迁移率并增强声子散射，从而提高/性能显著提升！性能显著提升！50-60%晶内第二相晶内第二相晶界第二相晶界第二相低维结构低维结构纳米复合结构纳米复合结构特殊结构特殊结构三维笼状三维笼状二维层状二维层状特殊原子基团特殊原子基团 50nm湿化学法湿化学法高能球磨高能球磨原位析出原位析出块体材料中引入纳米结构块体材料中引入纳米结构Science (2004); Science (2008); Adv. Mater. (2009-2011); Chem. Mater. (2009-2011); Nano Letter (2009-2011) 主要研究思路主要研究思路ZEM-3ZEM-3PPMS-9PPMS-9Melting FurnaceMelting FurnaceZM FurnaceZM FurnaceHP FurnaceHP FurnaceSealingSealingEquipments in NIMTE敬请指导！敬请指导！