Materiale termoelectrice - Thermoelectric materials

Materialele termoelectrice prezintă efectul termoelectric într-o formă puternică sau convenabilă.

Efectul termoelectric se referă la fenomene prin care fie o diferență de temperatură creează un potențial electric, fie un potențial electric creează o diferență de temperatură. Aceste fenomene sunt cunoscute mai exact ca efectul Seebeck (creând o tensiune din diferența de temperatură), efectul Peltier (conducerea fluxului de căldură cu un curent electric) și efectul Thomson (încălzire reversibilă sau răcire într-un conductor când există atât un curent electric, cât și un un gradient de temperatură). În timp ce toate materialele au un efect termoelectric nul, în majoritatea materialelor este prea mic pentru a fi util. Cu toate acestea, materialele ieftine care au un efect termoelectric suficient de puternic (și alte proprietăți necesare) sunt luate în considerare și pentru aplicații, inclusiv generarea de energie și refrigerarea . Cel mai frecvent utilizat material termoelectric se bazează pe telurură de bismut ( Bi
₂Te
₃).

Materialele termoelectrice sunt utilizate în sistemele termoelectrice pentru răcire sau încălzire în aplicații de nișă și sunt studiate ca o modalitate de regenerare a energiei electrice din căldura reziduală .

Figură de merit termoelectrică

Utilitatea unui material în sistemele termoelectrice este determinată de eficiența dispozitivului . Acest lucru este determinat de conductivitatea electrică a materialului ( σ ), conductivitatea termică ( κ ) și coeficientul Seebeck (S), care se schimbă odată cu temperatura . Eficiența maximă a procesului de conversie a energiei (atât pentru generarea de energie, cât și pentru răcire) la un anumit punct de temperatură din material este determinată de cifra de merit a materialelor termoelectrice , dată de ${\ displaystyle zT}$

{\ displaystyle zT = {\ sigma S ^ {2} T \ over \ kappa}}

care conține coeficientul de Seebeck S , conductivitate termică κ , electrice conductivitate σ și temperatură T .

Eficiența dispozitivului

Eficiența unui dispozitiv termoelectric pentru generarea de energie electrică este dată de , definit ca ${\ displaystyle \ eta}$

{\ displaystyle \ eta = {{\ text {energie furnizată încărcăturii}} \ peste {\ text {energie termică absorbită la joncțiunea fierbinte}}}.}

Eficiența maximă a unui dispozitiv termoelectric este de obicei descrisă în termeni de valoare a dispozitivului său, unde eficiența maximă a dispozitivului este dată de ${\ displaystyle ZT}$

{\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {max}} = {T_ {H} -T_ {C} \ peste T_ {H}} {{\ sqrt {1 + Z {\ bar {T}}}} - 1 \ over {\ sqrt {1 + Z {\ bar {T}}}} + {T_ {C} \ over T_ {H}}},}

unde este temperatura la joncțiunea fierbinte și este temperatura la suprafața răcită.

{\ displaystyle T_ {H}}

{\ displaystyle T_ {C}}

Pentru un singur pic termoelectric, eficiența dispozitivului poate fi calculată din proprietățile dependente de temperatură S , κ și σ și fluxul de căldură și curent electric prin material. Într-un dispozitiv termoelectric propriu-zis, sunt utilizate două materiale (de obicei unul de tip n și unul de tip p) cu interconectări metalice. Eficiența maximă este apoi calculată din eficiența ambelor picioare și din pierderile electrice și termice din interconectări și împrejurimi. ${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {max}}}$

Ignorând aceste pierderi și dependențe de temperatură în S , κ și σ , o estimare inexactă este dată de ${\ displaystyle ZT}$

{\ displaystyle Z {\ bar {T}} = {(S_ {p} -S_ {n}) ^ {2} {\ bar {T}} \ over [(\ rho _ {n} \ kappa _ {n }) ^ {1/2} + (\ rho _ {p} \ kappa _ {p}) ^ {1/2}] ^ {2}}}

unde este rezistivitatea electrică și proprietățile sunt calculate în medie pe intervalul de temperatură; este temperatura medie dintre suprafețele calde și reci și indicii n și p denotă proprietăți legate de materialele termoelectrice semiconductoare de tip n și respectiv p. Numai atunci când elementele n și p au aceleași proprietăți independente de temperatură ( ) .

{\ displaystyle \ rho}

{\ displaystyle {\ bar {T}}}

{\ displaystyle S_ {p} = - S_ {n}}

{\ displaystyle Z {\ bar {T}} = z {\ bar {T}}}

Deoarece dispozitivele termoelectrice sunt motoare termice, eficiența lor este limitată de eficiența Carnot , primul factor , în timp ce și determină reversibilitatea maximă a procesului termodinamic la nivel global și la nivel local, respectiv. Indiferent, coeficientul de performanță al frigiderelor termoelectrice comerciale actuale variază de la 0,3 la 0,6, o șesime din valoarea frigiderelor tradiționale cu compresie de vapori. ${\ displaystyle {T_ {H} -T_ {C} \ peste T_ {H}}}$ ${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {max}}}$ ${\ displaystyle ZT}$ ${\ displaystyle zT}$

Factor de putere

Adesea factorul de putere termoelectric este raportat pentru un material termoelectric, dat de

{\ displaystyle \ mathrm {Power ~ factor} = \ sigma S ^ {2} [W / mK ^ {2}]}

unde S este coeficientul Seebeck , iar σ este conductivitatea electrică .

Deși se susține adesea că dispozitivele TE cu materiale cu un factor de putere mai mare sunt capabile să „genereze” mai multă energie (să mute mai multă căldură sau să extragă mai multă energie din acea diferență de temperatură) acest lucru este valabil numai pentru un dispozitiv termoelectric cu geometrie fixă și căldură nelimitată sursa si racirea. Dacă geometria dispozitivului este proiectată în mod optim pentru aplicația specifică, materialele termoelectrice vor funcționa la eficiența maximă, care este determinată de nu . ${\ displaystyle zT}$ ${\ displaystyle \ sigma S ^ {2}}$

Aspecte ale alegerii materialelor

Pentru o eficiență bună, sunt necesare materiale cu conductivitate electrică ridicată, conductivitate termică scăzută și coeficient ridicat Seebeck.

Densitatea stării: metale vs semiconductori

Structura de bandă a semiconductoarelor oferă efecte termoelectrice mai bune decât structura de bandă a metalelor.

Energia Fermi este sub banda de conducere, determinând densitatea stării să fie asimetrică în jurul energiei Fermi. Prin urmare, energia electronică medie a benzii de conducere este mai mare decât energia Fermi, ceea ce face ca sistemul să conducă la mișcarea de încărcare într-o stare de energie mai mică. În schimb, energia Fermi se află în banda de conducere a metalelor. Acest lucru face ca densitatea stării să fie simetrică cu energia Fermi, astfel încât energia medie a electronilor de conducere să fie aproape de energia Fermi, reducând forțele care împing pentru transportul încărcăturii. Prin urmare, semiconductorii sunt materiale termoelectrice ideale.

Conductivitate

În ecuațiile de eficiență de mai sus, conductivitatea termică și conductivitatea electrică concurează.

Conductivitatea termică κ are în principal două componente:

κ = κ _electron + κ _fonon

Conform legii Wiedemann – Franz , cu cât conductivitatea electrică este mai mare, cu atât κ _electronul devine mai mare . Astfel, în metale raportul dintre conductivitatea termică și cea electrică este aproximativ fix, deoarece partea electronică domină. În semiconductori, partea fononului este importantă și nu poate fi neglijată. Reduce eficiența. Pentru o eficiență bună, se dorește un raport scăzut de onon _fonon / κ _electron .

Prin urmare, este necesar să se minimizeze onon _fononul și să se mențină conductivitatea electrică ridicată. Astfel, semiconductorii ar trebui să fie foarte dopați.

GA Slack a propus că, pentru a optimiza cifra meritului, fononii , care sunt responsabili de conductivitatea termică, trebuie să experimenteze materialul ca o sticlă (care se confruntă cu un grad ridicat de împrăștiere a fononului - scăderea conductivității termice ) în timp ce electronii trebuie să o experimenteze ca un cristal ( experimentând foarte puțină împrăștiere - menținerea conductivității electrice ). Cifra meritului poate fi îmbunătățită prin ajustarea independentă a acestor proprietăți.

Factor de calitate (teoria detaliată a semiconductorilor)

Maximul unui material este dat de factorul de calitate al materialului ${\ displaystyle Z {\ bar {T}}}$

{\ displaystyle B = {\ frac {2k_ {B} ^ {2} \ hbar} {3 \ pi}} {\ frac {N_ {v} C_ {l}} {m_ {l} ^ {*} \ Xi ^ {2} \ kappa _ {L}}} T}

unde este constanta Boltzmann, este constanta Planck redusă, este numărul văilor degenerate pentru bandă, este modulul elastic longitudinal mediu, este masa efectivă inerțială, este coeficientul potențial de deformare, este conducerea termică a rețelei și este temperatura . Cifra meritului,, depinde de concentrația de dopaj și de temperatura materialului de interes. Factorul de calitate al materialului: este util deoarece permite o comparație intrinsecă a eficienței posibile între diferite materiale. Această relație arată că îmbunătățirea componentei electronice , care afectează în primul rând coeficientul Seebeck, va crește factorul de calitate al unui material. O densitate mare de stări poate fi creată datorită unui număr mare de benzi conductoare ( ) sau de benzi plane care oferă o masă efectivă a benzii mari ( ). Pentru materiale izotrope . Prin urmare, este de dorit ca materialele termoelectrice să aibă o degenerescență ridicată a văii într-o structură de bandă foarte ascuțită. Alte caracteristici complexe ale structurii electronice sunt importante. Acestea pot fi parțial cuantificate utilizând o funcție electronică de fitness.

{\ displaystyle k_ {B}}

{\ displaystyle \ hbar}

{\ displaystyle N_ {v}}

{\ displaystyle C_ {l}}

{\ displaystyle m_ {l} ^ {*}}

{\ displaystyle \ Xi}

{\ displaystyle \ kappa _ {L}}

{\ displaystyle T}

{\ displaystyle Z {\ bar {T}}}

{\ displaystyle B}

{\ displaystyle {\ frac {N_ {v}} {m_ {l} ^ {*} \ Xi ^ {2}}}}

{\ displaystyle N_ {v}}

{\ displaystyle m_ {b} ^ {*}}

{\ displaystyle m_ {b} ^ {*} = m_ {l} ^ {*}}

Materiale de interes

Strategiile de îmbunătățire a termoelectricității includ atât materiale în vrac avansate, cât și utilizarea sistemelor cu dimensiuni reduse. Astfel de abordări pentru a reduce conductivitatea termică a rețelei se încadrează în trei tipuri generale de materiale: (1) Aliaje : creează defecte punctuale, locuri libere sau structuri de zgomot ( specii de ioni grei cu amplitudini vibraționale mari conținute în situri structurale parțial umplute) pentru a împrăștia fononi în unitate cristal celular ; (2) Cristale complexe : separa sticla fononică de cristalul electronic folosind abordări similare cu cele pentru supraconductori (regiunea responsabilă de transportul electronilor ar trebui să fie un cristal electronic al unui semiconductor cu mobilitate ridicată, în timp ce sticla fononică ar trebui să găzduiască în mod ideal structuri dezordonate și dopanții fără a perturba cristalul de electroni, analog cu rezervorul de încărcare în high-T _c supraconductori); (3) Nanocompozite multifazice : împrăștie fononi la interfețele materialelor nanostructurate, fie ele compozite mixte sau super-rețele cu film subțire .

Materialele luate în considerare pentru aplicațiile dispozitivelor termoelectrice includ:

Calcogenide de bismut și nanostructurile lor

Materiale precum Bi
₂Te
₃și Bi
₂Vezi
₃cuprind unele dintre cele mai performante termoelectrice la temperatura camerei, cu o valoare de valoare independentă de temperatură, ZT, între 0,8 și 1,0. Nanostructurarea acestor materiale pentru a produce o structură super-rețea stratificată de Bi alternată
₂Te
₃și Sb
₂Te
₃straturile produc un dispozitiv în cadrul căruia există o conductivitate electrică bună, dar perpendicular pe care conductivitatea termică este slabă. Rezultatul este un ZT îmbunătățit (aproximativ 2,4 la temperatura camerei pentru tipul p). Rețineți că această valoare ridicată a ZT nu a fost confirmată independent din cauza cerințelor complicate privind creșterea unor astfel de superrețele și fabricarea dispozitivelor; cu toate acestea, valorile ZT ale materialelor sunt în concordanță cu performanțele coolerelor hot-spot realizate din aceste materiale și validate la Intel Labs.

Telurura de bismut și soluțiile sale solide sunt materiale termoelectrice bune la temperatura camerei și, prin urmare, potrivite pentru aplicații frigorifice în jur de 300 K. Metoda Czochralski a fost utilizată pentru cultivarea compușilor de telurură de bismut monocristalin. Acești compuși sunt obținuți de obicei cu solidificare direcțională din procesele de topire sau metalurgie a pulberilor. Materialele produse cu aceste metode au o eficiență mai mică decât cele monocristaline datorită orientării aleatorii a boabelor de cristal, dar proprietățile lor mecanice sunt superioare, iar sensibilitatea la defecte structurale și impurități este mai mică datorită concentrației optime ridicate a purtătorului.

Concentrația de purtător necesară se obține prin alegerea unei compoziții nestechiometrice, care se realizează prin introducerea excesului de atomi de bismut sau telur în topitura primară sau prin impurități dopante. Unii dopanți posibili sunt halogeni și atomi de grupa IV și V. Datorită spațiului mic de bandă (0,16 eV) Bi ₂ Te ₃ este parțial degenerat și nivelul Fermi corespunzător ar trebui să fie aproape de banda minimă de conducție la temperatura camerei. Mărimea intervalului de bandă înseamnă că Bi ₂ Te ₃ are o concentrație mare de purtător intrinsec. Prin urmare, conducerea minorității purtătoare nu poate fi neglijată pentru mici abateri stoichiometrice. Utilizarea compușilor teluridici este limitată de toxicitatea și raritatea telurului.

Telurid de plumb

Heremans și colab. (2008) au demonstrat că aliajul de tellurură de plumb dopat cu taliu (PbTe) atinge un ZT de 1,5 la 773 K. Ulterior, Snyder și colab. (2011) au raportat ZT ~ 1,4 la 750 K în PbTe dopat cu sodiu și ZT ~ 1,8 la 850 K în aliaj PbTe dopat cu sodiu _{1 x x} Se _x aliaj. Grupul lui Snyder a stabilit că atât taliul, cât și sodiul modifică structura electronică a cristalului crescând conductivitatea electronică. Ei susțin, de asemenea, că seleniul crește conductivitatea electrică și reduce conductivitatea termică.

În 2012, o altă echipă a folosit telurura de plumb pentru a transforma 15-20 la sută din căldura reziduală în energie electrică, atingând un ZT de 2,2, despre care au afirmat că este cel mai mare raportat până acum.

Clatratii anorganici

Clatratii anorganici au formula generală A _x B _y C _46-y (tip I) și A _x B _y C _136-y (tip II), unde B și C sunt elemente din grupa III și respectiv IV, care formează cadrul în care Atomii A „oaspeți” ( metal alcalin sau alcalin pământesc ) sunt încapsulați în doi poliedri diferiți unul față de celălalt. Diferențele dintre tipurile I și II provin din numărul și dimensiunea golurilor prezente în celulele lor unitare . Proprietățile de transport depind de proprietățile cadrului, dar reglarea este posibilă prin schimbarea atomilor „oaspeți”.

Cea mai directă abordare pentru a sintetiza și optimiza proprietățile termoelectrice ale clatraților semiconductori de tip I este dopajul substituțional, unde unii atomi cadru sunt înlocuiți cu atomi dopanți. În plus, în sinteza clatratului au fost folosite tehnici de metalurgie a pulberilor și de creștere a cristalelor. Proprietățile structurale și chimice ale clatratilor permit optimizarea proprietăților lor de transport în funcție de stoichiometrie . Structura materialelor de tip II permite o umplere parțială a poliedrelor, permițând o mai bună reglare a proprietăților electrice și, prin urmare, un control mai bun al nivelului de dopaj. Variantele parțial umplute pot fi sintetizate ca semiconductoare sau chiar izolatoare.

Blake și colab. au prezis ZT ~ 0,5 la temperatura camerei și ZT ~ 1,7 la 800 K pentru compoziții optimizate. Kuznetsov și colab. rezistența electrică măsurată și coeficientul Seebeck pentru trei clatrați de tip I diferiți peste temperatura camerei și prin estimarea conductivității termice la temperatură ridicată din datele publicate de temperatură scăzută au obținut ZT ~ 0,7 la 700 K pentru Ba ₈ Ga ₁₆ Ge ₃₀ și ZT ~ 0,87 la 870 K pentru Ba ₈ Ga ₁₆ Si ₃₀ .

Compuși ai elementului Mg și grup-14

Compușii Mg ₂ B ^IV (B ¹⁴ = Si, Ge, Sn) și soluțiile lor solide sunt materiale termoelectrice bune și valorile lor ZT sunt comparabile cu cele ale materialelor consacrate. Metodele de producție adecvate se bazează pe co-topire directă, dar s-a folosit și alierea mecanică. În timpul sintezei, trebuie luate în considerare pierderile de magneziu datorate evaporării și segregării componentelor (în special pentru Mg ₂ Sn). Metodele de cristalizare direcționate pot produce cristale unice de Mg ₂ Si , dar au intrinsec conductivitate de tip n, iar dopajul, de exemplu cu Sn, Ga, Ag sau Li, este necesar pentru a produce material de tip p, care este necesar pentru un dispozitiv termoelectric eficient. . Soluțiile solide și compușii dopați trebuie să fie recoapte pentru a produce probe omogene - cu aceleași proprietăți pe tot parcursul. La 800 K, Mg ₂ Si _0,55-x Sn _0,4 Ge _0,05 Bi _x a fost raportat că are o cifră de merit de aproximativ 1,4, cea mai mare raportată vreodată pentru acești compuși.

Termoelectrice Skutterudite

Skutteruditele au o compoziție chimică de LM ₄ X ₁₂ , unde L este un metal din pământuri rare (componentă opțională), M este un metal de tranziție și X este un metaloid , un element din grupa V sau un pnictogen precum fosfor , antimoniu sau arsenic . Aceste materiale prezintă ZT> 1.0 și pot fi utilizate potențial în dispozitive termoelectrice cu mai multe etape.

Neumplute, aceste materiale conțin goluri, care pot fi umplute cu ioni cu coordonare scăzută (de obicei elemente din pământuri rare ) pentru a reduce conductivitatea termică prin producerea de surse pentru împrăștierea fononului în rețea , fără a reduce conductivitatea electrică . De asemenea, este posibil să se reducă conductivitatea termică în scuterudit fără a umple aceste goluri utilizând o arhitectură specială care conține nano și micro-pori.

NASA dezvoltă un generator termoelectric cu mai multe misiuni radioizotopice în care termocuplurile ar fi realizate din skutterudit , care poate funcționa cu o diferență de temperatură mai mică decât proiectele actuale de telur . Acest lucru ar însemna că un RTG altfel similar ar genera cu 25% mai multă putere la începutul unei misiuni și cu cel puțin 50% mai mult după șaptesprezece ani. NASA speră să folosească designul pentru următoarea misiune New Frontiers .

Termoelectrici cu oxid

Compuși oxizi omologi (cum ar fi cei de formă ( SrTiO
₃) _n(SrO)
_m-ORAȘUL fazei Ruddlesden-Popper ) au structuri superlattice stratificate care le fac promitatoare candidati pentru utilizarea în dispozitive termoelectrice cu temperatură ridicată. Aceste materiale prezintă o conductivitate termică scăzută perpendiculară pe straturi, menținând în același timp o conductivitate electronică bună în straturi. Valorile lor ZT pot ajunge la 2,4 pentru SrTiO epitaxial
₃filme și stabilitatea termică îmbunătățită a acestor oxizi, comparativ cu convenționale de înaltă ZT bismut compuși, le face Thermoelectrics superioare de înaltă temperatură.

Interesul pentru oxizi ca materiale termoelectrice a fost trezit din nou în 1997, când a fost raportată o putere termoelectrică relativ mare pentru NaCo ₂ O ₄ . Pe lângă stabilitatea lor termică, alte avantaje ale oxizilor sunt toxicitatea scăzută și rezistența ridicată la oxidare. Controlul simultan atât al sistemelor electrice, cât și al fononului poate necesita materiale nanostructurate. Stratul Ca ₃ Co ₄ O _{9 a} prezentat valori ZT de 1,4-2,7 la 900 K. Dacă straturile dintr-un material dat au aceeași stoechiometrie, acestea vor fi stivuite astfel încât aceiași atomi să nu fie poziționați unul peste celălalt, împiedicând conductivitatea fononului perpendicular pe straturi. Recent, termoelectricii cu oxid au câștigat multă atenție, astfel încât gama de faze promițătoare a crescut drastic. Membrii noi ai acestei familii includ ZnO, MnO ₂ și NbO ₂ .

Aliaje semi-Heusler

Aliajele Half-Heusler (HH) au un mare potențial pentru aplicații de generare a energiei la temperaturi ridicate. Exemplele acestor aliaje includ NbFeSb, NbCoSn și VFeSb. Au o structură cubică de tip MgAgAs formată din trei rețele interpenetrante centrate pe față-centrate-cubice (fcc). Abilitatea de a înlocui oricare dintre aceste trei subrețele deschide ușa pentru o mare varietate de compuși care trebuie sintetizați. Diferite substituții atomice sunt utilizate pentru a reduce conductivitatea termică și pentru a spori conductivitatea electrică.

Anterior, ZT nu putea atinge maximum 0,5 pentru tipul p și 0,8 pentru compusul HH de tip n. Cu toate acestea, în ultimii ani, cercetătorii au reușit să obțină ZT≈1 atât pentru tipul n, cât și pentru tipul p. Boabele de dimensiuni nano reprezintă una dintre abordările utilizate pentru a reduce conductivitatea termică prin împrăștierea fononului asistat la limitele boabelor. O altă abordare a fost utilizarea principiilor nanocompozitelor, prin care anumite combinații de metale erau favorizate la altele datorită diferenței de dimensiune atomică. De exemplu, Hf și Ti sunt mai eficiente decât Hf și Zr, atunci când este îngrijorătoare reducerea conductivității termice, deoarece diferența de dimensiune atomică dintre prima este mai mare decât cea a celei din urmă.

Materiale termoelectrice flexibile

Materiale organice care conduc electric

Generarea de energie electrică prin apucarea ambelor părți ale unui dispozitiv termoelectric PEDOT flexibil : PSS

PEDOT: model bazat pe PSS încorporat într-o mănușă pentru a genera electricitate prin căldura corpului

Polimerii conductori prezintă un interes semnificativ pentru dezvoltarea termoelectrică flexibilă. Acestea sunt flexibile, ușoare, versatile din punct de vedere geometric și pot fi prelucrate la scară, o componentă importantă pentru comercializare. Cu toate acestea, tulburarea structurală a acestor materiale inhibă adesea conductivitatea electrică mult mai mult decât conductivitatea termică, limitând utilizarea lor până acum. Unii dintre cei mai comuni polimeri conductori investigați pentru termoelectrici flexibili includ poli (3,4-etilendioxitiofen) (PEDOT), polianiline (PANI), politiofeni, poliacetileni, polipirol și policarbazol. PEDOT de tip P: PSS (polistiren sulfonat) și PEDOT-Tos (Tosylate) au fost unele dintre cele mai încurajatoare materiale investigate. Termoelectricele organice, stabile la aer, sunt adesea mai greu de sintetizat din cauza afinității lor scăzute de electroni și a probabilității de a reacționa cu oxigenul și apa din aer. Aceste materiale au adesea o cifră de merit care este încă prea mică pentru aplicații comerciale (~ 0,42 în PEDOT: PSS ) din cauza conductivității electrice slabe.

Compozite hibride Termoelectricele compozite hibride implică amestecarea materialelor organice sau a altor materiale compozite conductoare electric discutate anterior cu alte materiale conductoare într-un efort de a îmbunătăți proprietățile de transport. Materialele conductoare care se adaugă cel mai frecvent includ nanotuburi de carbon și grafen datorită conductivităților și proprietăților lor mecanice. S-a demonstrat că nanotuburile de carbon pot crește rezistența la tracțiune a compozitului polimeric cu care sunt amestecate. Cu toate acestea, ele pot reduce și flexibilitatea. În plus, viitorul studiu asupra orientării și alinierii acestor materiale adăugate va permite îmbunătățirea performanței. Pragul de percolație al CNT este adesea scăzut, cu mult sub 10%, datorită raportului de aspect ridicat. Un prag de percolație scăzut este de dorit atât în scopuri de cost, cât și de flexibilitate. Oxidul de grafen redus (rGO) ca material legat de grafen a fost, de asemenea, utilizat pentru a spori valoarea meritului materialelor termoelectrice. Adăugarea unei cantități destul de mici de grafen sau rGO în jurul valorii de 1% în greutate întărește în principal dispersia fononică la limitele granulelor tuturor acestor materiale, precum și crește concentrația purtătorului de sarcină și mobilitatea în calcogenură, skutterudit și, în special, pe bază de oxid de metal compozite. Cu toate acestea, creșterea semnificativă a ZT după adăugarea de grafen sau rGO a fost observată în principal pentru compozite pe bază de materiale termoelectrice cu ZT inițial scăzut. Când materialul termoelectric este deja nanostructurat și are o conductivitate electrică ridicată, o astfel de adăugare nu mărește semnificativ ZT. Astfel, grafenul sau aditivul rGO funcționează în principal ca un optimizator al performanței intrinseci a materialelor termoelectrice.

Compozitele termoelectrice hibride se referă și la compozite termoelectrice polimer-anorganice. Acest lucru se realizează în general printr-o matrice de polimer inert, care este gazda materialului de umplere termoelectric. Matricea este, în general, neconductivă, astfel încât să nu curenteze scurt, precum și să lase materialul termoelectric să domine proprietățile de transport electric. Un avantaj major al acestei metode este că matricea polimerică va fi în general foarte dezordonată și aleatorie pe multe scale de lungime diferite, ceea ce înseamnă că materialul compozit va avea o conductivitate termică mult mai mică. Procedura generală de sintetizare a acestor materiale implică un solvent pentru dizolvarea polimerului și dispersarea materialului termoelectric în amestec.

Siliciul-germaniu

Bulk Si prezintă un ZT scăzut de ~ 0,01 datorită conductivității sale termice ridicate. Cu toate acestea, ZT poate fi de până la 0,6 în nanofilele de siliciu , care păstrează conductivitatea electrică ridicată a Si dopat, dar reduc conductivitatea termică datorită împrăștierii ridicate a fononilor pe suprafețele lor extinse și a secțiunii transversale reduse.

Combinarea Si și Ge permite, de asemenea, să păstreze o conductivitate electrică ridicată a ambelor componente și să reducă conductivitatea termică. Reducerea provine din împrăștierea suplimentară datorită proprietăților de grilaj (fonon) foarte diferite ale Si și Ge. Ca urmare, aliajele de siliciu-germaniu sunt în prezent cele mai bune materiale termoelectrice în jurul valorii de 1000 ℃ și, prin urmare, sunt utilizate în unele generatoare termoelectrice radioizotopice (RTG) (în special MHW-RTG și GPHS-RTG ) și în alte aplicații cu temperatură ridicată, cum ar fi recuperarea căldurii reziduale . Utilizarea aliajelor de siliciu-germaniu este limitată de prețul ridicat și de valorile ZT moderate (~ 0,7); cu toate acestea, ZT poate fi crescut la 1-2 în nanostructurile SiGe datorită reducerii conductivității termice.

Cobaltat de sodiu

Experimentele pe cristale de cobaltat de sodiu, folosind experimente de împrăștiere cu raze X și neutroni, efectuate la instalația europeană de radiație a sincronului (ESRF) și Institutul Laue-Langevin (ILL) din Grenoble au reușit să suprime conductivitatea termică cu un factor de șase, comparativ cu cobaltat de sodiu fără locuri vacante. Experimentele au fost de acord cu calculele funcționale ale densității corespunzătoare . Tehnica a implicat mari deplasări anarmonice ale Na
_0,8Gânguri
₂ conținute în cristale.

Materiale amorfe

În 2002, Nolas și Goldsmid au venit cu o sugestie că sistemele cu fonon înseamnă căile libere mai mari decât căile libere ale căii libere pot prezenta o eficiență termoelectrică îmbunătățită. Acest lucru poate fi realizat în termoelectricele amorfe și în curând acestea au devenit centrul multor studii. Această idee inovatoare a fost realizată în sistemele amorfe Cu-Ge-Te, NbO ₂ , In-Ga-Zn-O, Zr-Ni-Sn, Si-Au și Ti-Pb-VO. Trebuie menționat faptul că modelarea proprietăților de transport este suficient de dificilă fără a încălca ordinea pe distanțe lungi, astfel încât proiectarea termoelectricelor amorfe este la început. Bineînțeles, termoelectricele amorfe dau naștere unei împrăștieri extinse a fononului, care este încă o provocare pentru termoelectricele cristaline. Se așteaptă un viitor luminos pentru aceste materiale.

Materiale clasificate funcțional

Materialele clasificate funcțional permit îmbunătățirea eficienței conversiei termoelectricelor existente. Aceste materiale au o distribuție neuniformă a concentrației purtătorului și, în unele cazuri, compoziție de soluție solidă. În aplicațiile de generare a energiei, diferența de temperatură poate fi de câteva sute de grade și, prin urmare, dispozitivele fabricate din materiale omogene au o parte care funcționează la temperatura la care ZT este substanțial mai mică decât valoarea sa maximă. Această problemă poate fi rezolvată prin utilizarea materialelor ale căror proprietăți de transport variază de-a lungul lungimii lor, permițând astfel îmbunătățiri substanțiale ale eficienței de funcționare la diferențe mari de temperatură. Acest lucru este posibil cu materialele clasificate funcțional, deoarece acestea au o concentrație variabilă a purtătorului de-a lungul lungimii materialului, care este optimizată pentru operațiuni în intervalul de temperatură specific.

Nanomateriale și superrețele

În plus față de nanostructurat Bi
₂Te
₃/ Sb
₂Te
₃peliculele subțiri cu superrețea, alte materiale nanostructurate, inclusiv nanofirurile de siliciu , nanotuburile și punctele cuantice prezintă potențial în îmbunătățirea proprietăților termoelectrice.

PbTe / PbSeTe cuantum punct superrețea

Un alt exemplu de super-rețea implică o super-rețea cu puncte cuantice PbTe / PbSeTe care oferă un ZT îmbunătățit (aproximativ 1,5 la temperatura camerei) care a fost mai mare decât valoarea ZT vrac fie pentru PbTe, fie pentru PbSeTe (aproximativ 0,5).

Stabilitate nanocristalină și conductivitate termică

Nu toate materialele nanocristaline sunt stabile, deoarece dimensiunea cristalului poate crește la temperaturi ridicate, distrugând caracteristicile dorite ale materialelor.

Materialele nanocristaline au multe interfețe între cristale, care fizica SASER împrăștie fononi, astfel încât conductivitatea termică este redusă. Fononii se limitează la bob, dacă traiectoria lor medie liberă este mai mare decât dimensiunea bobului material.

Silicide metalice de tranziție nanocristaline

Silicidele metalice de tranziție nanocristaline sunt un grup promițător de materiale pentru aplicații termoelectrice, deoarece îndeplinesc mai multe criterii care sunt solicitate din punct de vedere al aplicațiilor comerciale. În unele silicide metalice de tranziție nanocristaline factorul de putere este mai mare decât în materialul policristalin corespunzător, dar lipsa datelor fiabile privind conductivitatea termică împiedică evaluarea eficienței lor termoelectrice.

Skutterudite nanostructurate

Skutteruditele, un mineral de arsenidă de cobalt cu cantități variabile de nichel și fier, pot fi produse artificial și sunt candidați pentru materiale termoelectrice mai bune.

Un avantaj al skutteruditelor nanostructurate față de skuteruditele normale este conductivitatea termică redusă a acestora, cauzată de împrăștierea graniței granulelor. Valorile ZT de ~ 0,65 și> 0,4 au fost atinse cu probe pe bază de CoSb ₃ ; fostele valori au fost de 2,0 pentru Ni și 0,75 pentru materialul Te dopate la 680 K și acesta din urmă pentru Au-compozit la T> 700 K .

Îmbunătățiri mai mari ale performanței pot fi realizate prin utilizarea compozitelor și prin controlul mărimii granulelor, condițiilor de compactare a probelor policristaline și concentrația purtătorului.

Grafen

Grafenul este cunoscut pentru conductivitatea sa electrică ridicată și coeficientul Seebeck la temperatura camerei. Cu toate acestea, din perspectiva termoelectrică, conductivitatea sa termică este deosebit de mare, ceea ce la rândul său limitează ZT-ul. Au fost sugerate mai multe abordări pentru a reduce conductivitatea termică a grafenului fără a-i modifica conductivitatea electrică. Acestea includ, dar nu se limitează la, următoarele:

Doping cu carbon izotopilor pentru a forma heterojunction izotopic , cum ar fi cea de ¹² C și ¹³ C . Acei izotopi posedă diferențe diferite de frecvență fonică, ceea ce duce la împrăștierea purtătorilor de căldură (fononi). Sa demonstrat că această abordare nu afectează nici factorul de putere, nici conductivitatea electrică.
S-a demonstrat că ridurile și fisurile din structura grafenului contribuie la reducerea conductivității termice. Valorile raportate ale conductivității termice a grafenului în suspensie de dimensiunea 3,8 µm arată o răspândire largă de la 1500 la 5000 W / (m · K). Un studiu recent a atribuit acest lucru defectelor microstructurale prezente în grafen, cum ar fi ridurile și fisurile, care pot scădea conductivitatea termică cu 27%. Aceste defecte ajută la dispersarea fononilor.
Introducerea defectelor cu tehnici precum tratamentul cu plasmă de oxigen. O modalitate mai sistemică a introducerii defectelor in structura graphene se face prin O ₂ de tratament cu plasmă. În cele din urmă, proba de grafen va conține găuri prescrise distanțate și numerotate în funcție de intensitatea plasmei. Oamenii au reușit să îmbunătățească ZT de grafen de la 1 la o valoare de 2,6 când densitatea defectului este crescută de la 0,04 la 2,5 (acest număr este un indice de densitate a defectului și de obicei înțeles în comparație cu valoarea corespunzătoare a grafenului netratat, 0,04 în cazul nostru). Cu toate acestea, această tehnică ar reduce și conductivitatea electrică, care poate fi menținută neschimbată dacă parametrii de procesare a plasmei sunt optimizați.
Funcționalizarea grafenului de către oxigen. Comportamentul termic al oxidului de grafen nu a fost investigat pe larg comparativ cu omologul său; grafen. Cu toate acestea, s-a arătat teoretic prin modelul teoriei funcționale a densității (DFT) că adăugarea de oxigen în rețeaua grafenului reduce conductivitatea termică a acestuia datorită efectului de împrăștiere a fononului. Împrăștierea fononilor rezultă atât din nepotrivirea acustică, cât și din simetria redusă în structura grafenului după doparea cu oxigen. Reducerea conductivității termice poate depăși cu ușurință 50% cu această abordare.

Superrețele și rugozitate

Superrețelele - termocupluri nano structurate, sunt considerate un bun candidat pentru o mai bună fabricare a dispozitivelor termoelectrice, cu materiale care pot fi utilizate la fabricarea acestei structuri.

Producția lor este costisitoare pentru uz general datorită proceselor de fabricație bazate pe metode costisitoare de creștere a peliculei subțiri. Cu toate acestea, întrucât cantitatea de materiale cu peliculă subțire necesară pentru fabricarea dispozitivelor cu superrețele, este mult mai mică decât materialele cu peliculă subțire din materialele termoelectrice în vrac (aproape cu un factor de 1 / 10.000), avantajul pe termen lung al costului este într-adevăr favorabil.

Acest lucru este valabil mai ales având în vedere disponibilitatea limitată a telurului care determină creșterea aplicațiilor solare concurente pentru sistemele de cuplare termoelectrice.

Structurile superrețelate permit, de asemenea, manipularea independentă a parametrilor de transport prin ajustarea structurii în sine, permițând cercetarea pentru o mai bună înțelegere a fenomenelor termoelectrice în nanoscală și studierea structurilor de transmitere a electronilor care blochează fononul - explicând schimbările în câmpul electric și conductivitatea datorate nanostructura materialului.

Există multe strategii de scădere a conductivității termice superrețelice care se bazează pe ingineria transportului fonon. Conductivitatea termică de-a lungul planului filmului și a axei firului poate fi redusă prin crearea difuzării difuze a interfeței și prin reducerea distanței de separare a interfeței, ambele fiind cauzate de rugozitatea interfeței.

Rugozitatea interfeței poate apărea în mod natural sau poate fi indusă artificial. În natură, rugozitatea este cauzată de amestecarea atomilor de elemente străine. Rugozitatea artificială poate fi creată folosind diferite tipuri de structuri, cum ar fi interfețele cu puncte cuantice și filmele subțiri pe substraturi acoperite cu trepte.

Probleme la superrețele

Conductivitate electrică redusă :
Structurile reduse ale interfeței de dispersie a fononului prezintă adesea și o scădere a conductivității electrice.

Conductivitatea termică în direcția transversală plană a grilajului este de obicei foarte scăzută, dar în funcție de tipul de superlattice, coeficientul termoelectric poate crește datorită modificărilor structurii de bandă.

Scăzut de conductivitate termică în superlattices este , de obicei , din cauza imprastiere interfață puternică a fononi. Minibandele sunt cauzate de lipsa închiderii cuantice într-o fântână. Structura mini-bandă depinde de perioada de super-rețea, astfel încât, cu o perioadă foarte scurtă (~ 1 nm), structura benzii se apropie de limita de aliaj și cu o perioadă lungă (≥ ~ 60 nm), minibandele devin atât de apropiate unele de altele, încât pot să fie aproximat cu un continuum.

Contramăsuri ale structurii superrețelelor :
pot fi luate măsuri de contracarare care elimină practic problema scăderii conductivității electrice într-o interfață redusă de împrăștiere a fononului. Aceste măsuri includ alegerea corectă a structurii superrețelelor, profitând de conducerea mini-benzii peste superrețele și evitarea confinării cuantice . S-a demonstrat că, deoarece electronii și fononii au lungimi de undă diferite, este posibil să se proiecteze structura în așa fel încât fononii să fie împrăștiați mai difuz la interfață decât electronii.

Contramăsuri de confinare a fononului :
O altă abordare pentru a depăși scăderea conductivității electrice în structurile reduse de dispersie a fononului este creșterea reflectivității fononului și, prin urmare, scăderea conductivității termice perpendiculare pe interfețe.

Acest lucru poate fi realizat prin creșterea nepotrivirii dintre materialele din straturile adiacente, inclusiv densitatea , viteza grupului , căldura specifică și spectrul fonon.

Rugozitatea interfeței determină împrăștierea difuză a fononului, care fie mărește, fie scade reflectivitatea fononului la interfețe. O nepotrivire între relațiile de dispersie în masă limitează fononii, iar confinarea devine mai favorabilă pe măsură ce diferența de dispersie crește.

Cantitatea de închidere este în prezent necunoscută, deoarece există doar câteva modele și date experimentale. Ca și în cazul unei metode anterioare, trebuie luate în considerare efectele asupra conductivității electrice.

S-au făcut încercări de localizare a fononilor cu lungime de undă lungă prin superrețele aperiodice sau superrețele compozite cu periodicități diferite. În plus, defectele, în special luxațiile, pot fi utilizate pentru a reduce conductivitatea termică în sistemele cu dimensiuni reduse.

Căldură parazitară : Conducerea
căldurii parazitare în straturile de barieră ar putea provoca pierderi semnificative de performanță. S-a propus, dar nu s-a testat că acest lucru poate fi depășit alegând o anumită distanță corectă între godeurile cuantice.

Coeficientul Seebeck își poate schimba semnul în nanofire de superrețea datorită existenței minigapurilor pe măsură ce energia Fermi variază. Acest lucru indică faptul că superrețelele pot fi adaptate pentru a prezenta un comportament de tip n sau p utilizând aceiași dopanți ca aceia care sunt utilizați pentru materialele în vrac corespunzătoare, controlând cu atenție energia Fermi sau concentrația de dopant. Cu matrice de nanofire, este posibil să se exploateze tranziția semimetal- semiconductoare datorită confinării cuantice și să se utilizeze materiale care, în mod normal, nu ar fi materiale termoelectrice bune în formă vrac. Astfel de elemente sunt de exemplu bismut. Efectul Seebeck ar putea fi, de asemenea, utilizat pentru a determina concentrația purtătorului și energia Fermi din nanofire.

În termoelectricele cu puncte cuantice, comportamentul neconvențional sau neconvențional de transport (de exemplu, tunelare sau salt) este necesar pentru a utiliza structura lor specială de bandă electronică în direcția de transport. Este posibil să se obțină ZT> 2 la temperaturi ridicate cu superrețele cu puncte cuantice, dar acestea sunt aproape întotdeauna inadecvate pentru producția de masă.

Cu toate acestea, în superrețele, unde nu sunt implicate efectele cuantice, cu o grosime a filmului de doar câțiva micrometri (µm) până la aproximativ 15 µm, materialul de superrețea Bi ₂ Te ₃ / Sb ₂ Te ₃ a fost transformat în microrăcitori de înaltă performanță și altele dispozitive. Performanța răcitoarelor hot-spot este în concordanță cu ZT ~ 2.4 raportat al materialelor super-rețea la 300 K.

Nanocompozitele sunt o clasă de materiale promițătoare pentru dispozitivele termoelectrice în vrac, dar trebuie depășite mai multe provocări pentru a le face potrivite pentru aplicații practice. Nu se înțelege de ce proprietățile termoelectrice îmbunătățite apar doar în anumite materiale cu procese de fabricație specifice.

Nanocristalele SrTe pot fi încorporate într-o matrice PbTe în vrac, astfel încât rețelele de sare de rocă ale ambelor materiale să fie complet aliniate (endotaxie) cu concentrație molară optimă pentru SrTe doar 2%. Acest lucru poate provoca o împrăștiere puternică a fononului, dar nu ar afecta transportul încărcăturii. În acest caz, ZT ~ 1,7 poate fi atins la 815 K pentru materialul de tip p.

Selenură de tablă

În 2014, cercetătorii de la Northwestern University au descoperit că selenura de staniu (SnSe) are un ZT de 2,6 de-a lungul axei b a celulei unitare. Aceasta a fost cea mai mare valoare raportată până în prezent. Acest lucru a fost atribuit unei conductivități termice extrem de scăzute găsite în rețeaua SnSe. În mod specific, SnSe a demonstrat o conductivitate termică în rețea de 0,23 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ , mult mai mică decât valorile raportate anterior de 0,5 W · m ⁻¹ · K ⁻¹ și mai mari. Acest material a prezentat, de asemenea, un ZT de2,3 ± 0,3 de -a lungul axei c și0,8 ± 0,2 de -a lungul axei a. Aceste rezultate au fost obținute la o temperatură de 923 K (650 ° C). După cum se arată în figurile de mai jos, s-a constatat că valorile performanței SnSe se îmbunătățesc semnificativ la temperaturi mai ridicate; acest lucru se datorează unei schimbări structurale. Factorul de putere, conductivitatea și conductivitatea termică ating toate valorile lor optime la 750 K sau peste și apar la platou la temperaturi mai ridicate. Cu toate acestea, alte grupuri nu au reușit să reproducă datele raportate de conductivitate termică în vrac.

Valori de performanță SnSe

Deși există la temperatura camerei într-o structură ortorombică cu grup spațial Pnma, SnSe suferă o tranziție la o structură cu simetrie mai mare, grup spațial Cmcm, la temperaturi mai ridicate. Această structură constă din planuri Sn-Se care sunt stivuite în sus în direcția a, ceea ce explică performanța slabă în afara planului (de-a lungul unei axe). La trecerea la structura Cmcm, SnSe își menține conductivitatea termică scăzută, dar prezintă mobilități mai mari ale purtătorului.

Un impediment pentru dezvoltarea ulterioară a SnSe este că are o concentrație relativ scăzută a purtătorului: aproximativ 10 ¹⁷ cm ⁻³ . Această problemă este agravată de faptul că s-a raportat că SnSe are o eficiență scăzută a dopajului.

Cu toate acestea, astfel de materiale monocristaline suferă de incapacitatea de a produce dispozitive utile datorită fragilității lor, precum și a intervalului îngust de temperaturi, unde ZT este raportat a fi ridicat.

În 2021, cercetătorii au anunțat o formă policristalină de SnSe, care era simultan mai puțin fragilă și avea un ZT de 3,1.

Metode de producție

Metodele de producție pentru aceste materiale pot fi împărțite în tehnici bazate pe creșterea pulberii și a cristalului. Tehnicile pe bază de pulbere oferă o capacitate excelentă de a controla și menține distribuția dorită a purtătorului, dimensiunea particulelor și compoziția. În tehnicile de creștere a cristalelor, dopanții sunt adesea amestecați cu topitură, dar poate fi utilizată și difuzia din faza gazoasă. În tehnicile de topire a zonei, discurile din diferite materiale sunt stivuite deasupra altora și apoi materialele sunt amestecate între ele atunci când un încălzitor de călătorie provoacă topirea. În tehnicile de pulbere, fie pulberile diferite sunt amestecate cu un raport variabil înainte de topire, fie sunt în straturi diferite ca stivă înainte de presare și topire.

Există aplicații, cum ar fi răcirea circuitelor electronice, în care sunt necesare pelicule subțiri. Prin urmare, materialele termoelectrice pot fi, de asemenea, sintetizate folosind tehnici fizice de depunere a vaporilor . Un alt motiv pentru a utiliza aceste metode este de a proiecta aceste faze și de a oferi îndrumări pentru aplicații în bloc.

printare 3d

Îmbunătățirea semnificativă a abilităților de imprimare 3D a făcut posibilă pregătirea componentelor termoelectrice prin imprimarea 3D. Produsele termoelectrice sunt fabricate din materiale speciale care absorb căldura și creează electricitate. Cerința de a monta geometrii complexe în spații strâns constrânse face ca imprimarea 3D să fie tehnica ideală de fabricație. Există mai multe avantaje în utilizarea producției aditive în producția de materiale termoelectrice. Fabricarea aditivă permite inovația în proiectarea acestor materiale, facilitând geometrii complexe care altfel nu ar fi posibile prin procesele de fabricație convenționale. Reduce cantitatea de material irosit în timpul producției și permite timpi de producție mai rapide, eliminând nevoia de scule și fabricarea prototipurilor, care pot fi consumatoare de timp și costisitoare.

Există mai multe tehnologii majore de fabricație aditivă care au apărut ca metode fezabile pentru producerea de materiale termoelectrice, inclusiv imprimarea continuă cu jet de cerneală, imprimarea dozatoare, serigrafia, stereolitografia și sinterizarea selectivă cu laser . Fiecare metodă are propriile provocări și limitări, în special legate de clasa și forma materialelor care pot fi utilizate. De exemplu, sinterizarea selectivă cu laser (SLS) poate fi utilizată cu pulberi metalice și ceramice, stereolitografia (SLA) trebuie utilizată cu rășini vindecabile care conțin dispersii solide de particule din materialul termoelectric ales, iar imprimarea cu jet de cerneală trebuie să utilizeze cerneluri care sunt de obicei sintetizate prin dispersarea pulberilor anorganice în solvent organic sau realizarea unei suspensii.

Motivația pentru producerea de termoelectrice prin fabricarea aditivă se datorează dorinței de a îmbunătăți proprietățile acestor materiale, și anume creșterea valorii lor termoelectrice de merit ZT și, prin urmare, îmbunătățirea eficienței lor de conversie a energiei. S-au făcut cercetări pentru a demonstra eficacitatea și a investiga proprietățile materialelor materialelor termoelectrice produse prin fabricarea aditivă. O metodă de fabricație aditivă bazată pe extrudare a fost utilizată pentru a imprima cu succes telurura de bismut (Bi ₂ Te ₃ ) cu diverse geometrii. Această metodă a folosit o cerneală viscoelastică total anorganică sintetizată utilizând ioni Sb ₂ Te ₂ calcogenidometalat ca lianți pentru particulele pe bază de Bi ₂ Te ₃ . Rezultatele acestei metode au arătat proprietăți termoelectrice omogene în întregul material și o cifră termoelectrică de merit ZT de 0,9 pentru probele de tip p și 0,6 pentru probele de tip n. S-a constatat, de asemenea, că coeficientul Seebeck al acestui material crește odată cu creșterea temperaturii până la aproximativ 200 ° C.

De asemenea, s-au făcut cercetări inovatoare pentru utilizarea sinterizării selective cu laser (SLS) pentru producția de materiale termoelectrice. Pulberile libere Bi ₂ Te ₃ au fost tipărite prin SLS fără utilizarea pre- sau post-prelucrarea materialului, pre-formarea unui substrat sau utilizarea materialelor de liant. Probele tipărite au atins o densitate relativă de 88% (comparativ cu o densitate relativă de 92% în Bi ₂ Te ₃ fabricate în mod convențional ). Rezultatele imagistice prin microscopie electronică de scanare (SEM) au arătat o fuziune adecvată între straturile de materiale depuse. Deși porii au existat în regiunea topită, aceasta este o problemă generală existentă cu piesele fabricate de SLS, care apar ca urmare a bulelor de gaz care se prind în materialul topit în timpul solidificării sale rapide. Rezultatele difracției cu raze X au arătat că structura cristalină a materialului a fost intactă după topirea cu laser.

Coeficientul Seebeck, cifra de merit ZT, conductivitatea electrică și termică, căldura specifică și difuzivitatea termică a probelor au fost, de asemenea, investigate, la temperaturi ridicate de până la 500 ° C. Un interes deosebit este ZT-ul acestor probe Bi ₂ Te ₃ , care s-au dovedit a scădea odată cu creșterea temperaturilor până la aproximativ 300 ° C, cresc ușor la temperaturi cuprinse între 300-400 ° C și apoi cresc brusc fără o creștere suplimentară a temperaturii. Cea mai mare valoare ZT obținută (pentru un eșantion de tip n) a fost de aproximativ 0,11.

Proprietățile în vrac ale materialelor termoelectrice ale probelor produse folosind SLS au avut proprietăți termoelectrice și electrice comparabile cu materialele termoelectrice produse utilizând metode convenționale de fabricație. Aceasta este prima dată când metoda SLS de producție a materialului termoelectric a fost utilizată cu succes.

Aplicații

Refrigerare

Materialele termoelectrice pot fi utilizate ca frigidere, numite „răcitoare termoelectrice”, sau „răcitoare Peltier” după efectul Peltier care le controlează funcționarea. Ca tehnologie de refrigerare, răcirea Peltier este mult mai puțin frecventă decât refrigerarea cu compresie de vapori . Principalele avantaje ale unui răcitor Peltier (în comparație cu un frigider cu compresie de vapori) sunt lipsa de piese în mișcare sau agent frigorific și dimensiunea redusă și forma flexibilă (factor de formă).

Principalul dezavantaj al răcitoarelor Peltier este eficiența redusă. Se estimează că materialele cu ZT> 3 (aproximativ 20-30% eficiență Carnot) ar fi necesare pentru a înlocui răcitoarele tradiționale în majoritatea aplicațiilor. Astăzi, răcitoarele Peltier sunt utilizate numai în aplicații de nișă, în special la scară mică, unde eficiența nu este importantă.

Generarea de energie electrică

Eficiența termoelectrică depinde de cifra de merit , ZT. Nu există o limită teoretică superioară pentru ZT și, pe măsură ce ZT se apropie de infinit, eficiența termoelectrică se apropie de limita Carnot . Cu toate acestea, până de curând nici o termoelectricitate cunoscută nu avea un ZT> 3. În 2019, cercetătorii au raportat un material cu ZT aproximativ între 5 și 6. Începând cu 2010, generatoarele termoelectrice deservesc nișe de aplicații în care eficiența și costul sunt mai puțin importante decât fiabilitatea, greutatea redusă și dimensiunile mici.

Motoarele cu ardere internă captează 20-25% din energia eliberată în timpul arderii combustibilului. Creșterea ratei de conversie poate crește kilometrajul și poate oferi mai multă energie electrică pentru comenzile de la bord și confortul creaturilor (controale de stabilitate, sisteme telematice, sisteme de navigație, frânare electronică etc.). la sarcina electrică din mașină, de exemplu, servodirecția electrică sau funcționarea pompei de lichid de răcire.

Centralele de cogenerare folosesc căldura produsă în timpul producerii de energie electrică în scopuri alternative. Termoelectricitatea poate găsi aplicații în astfel de sisteme sau în generarea de energie solară termică .

Vezi si

Referințe

Bibliografie

Rowe, DM (03.03.2018). Manual de termoelectricitate: Macro la Nano . CRC Press. ISBN 978-1-4200-3890-3.

Languages

In other projects