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上海硅酸鹽所在熱電器件研究中取得進展
發布時間: 2020-09-21 13:13 | 【 【打印】【關閉】

  熱電發電器件是利用半導體材料的澤貝克效應將熱能直接轉換成電能,可用于空間特種電源、工業余廢熱回收等領域。在實際應用中,轉換效率和功率密度是熱電發電系統設計的重要技術指標。長期以來,熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉換效率的最大化,而另一個關鍵性能參數——功率密度一直被忽略。開發同時具有高轉換效率和高功率密度,即:“雙高”熱電發電器件,已成為推進熱電發電技術實用化的關鍵。 

  傳統熱電材料和器件研究方法是通過材料性能優化獲得具有最高熱電優值zT的熱電材料,再基于該材料開展器件的結構設計,以期獲得最佳的轉換效率。這一研究思路將材料優化與器件設計分割成兩個獨立的階段,即:材料研究追求高zT值,器件研究利用最高zT值的材料力求實現最高轉換效率。由于最高zT值材料對應的電、熱輸運性能是通常是固定不變的,并且最高轉換效率和最大功率密度對應的器件結構參數也不同,因此造成最佳功率密度和最佳轉換效率無法在同一器件中同時實現。實際應用時,為了獲得高轉換效率,必須犧牲一定的功率密度,這也限制了熱電器件的應用。 

  最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所陳立東研究員、柏勝強正高級工程師團隊與浙江大學朱鐵軍教授合作,提出了由“器件設計”指導“材料優化”的反向設計策略,利用“功率因子優先”和“熱導率匹配”準則實現了器件的“雙高”性能?;谠摬呗?,通過有限仿真模擬提出了雙高器件所需的n型和p型半赫斯勒材料最佳匹配的熱導率和功率因子范圍。根據這一結果,通過調節n型材料的載流子濃度,獲得了最佳的功率因子以及與p型材料匹配的熱導率。在未使用最高zT值熱電材料的條件下,器件在溫差為680K時最大轉換效率達到10.5%,最大功率密度達到3.1Wcm-2,同時打破了單級熱電器件轉換效率與功率密度的記錄。反向設計策略改變了傳統單一追求高zT值和高轉換效率的熱電材料和器件的研究思路,為可實用化高性能熱電器件的設計研發提供了新途徑,可推廣應用于其他熱電材料體系。相關成果發表于Joule, 2020, doi: 10.1016/j.joule.2020.08.009。 

  該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會的資助和支持,2015級直博生邢云飛與劉睿恒副研究員為共同第一作者。 

熱導率匹配設計“雙高”熱電器件。(a 估算的熱電優值、功率因子、熱導率與載流子濃度關系圖。(b)利用圖a結果計算器件的最大功率密度和最大轉換效率。 

雙高器件的最大轉換效率和最大功率密度與公開報道的單級和級聯熱電器件(不含單臂或單偶元件)性能的對比 

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