半导体热电材料

电工入门 2年前 (2022) aysz01
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  半导体热电材料(英文名:semiconductor thermoelectric material)指具有较大热电效应的半导体材料,亦称温差电材料。它能直接把热能转换成电能,或直接由电能产生致冷作用。[1] 

基本信息栏  

(当前模板:科技术语)  

中文名 半导体热电材料
外文名 semiconductor thermoelectric material
 
功能 将热能转换成电能、由电能致冷
代表物质 PbTe、ZnSb、SiGe

 

研究历史

1821年,德国塞贝克(see—beck)在金属中发现温差电效应,仅在测量温度的温差电偶方面得到了应用。半导体出现后,发现它能得到比金属大得多的温差电动势,热能与电能转换有较高的效率,因此,在温差发电、温差致冷方面得到了发展。

制备方法

半导体热电材料的制备方法大致有如下几种:

(1)粉末冶金法。宜于大批量生产,材料的机械强度高且成分均匀,易于制成各种形状的温差电元件,其缺点是破坏了结晶方位,材料密度较小,从而不能获得高的热电性能。

(2)熔体结晶法。设备操作简单,严格控制可获得单晶或由几个大晶粒组成的晶体,材料性能较好。缺点是不宜大批量生产,材料的机械强度差,切割的材料耗损较大。

(3)连续浇铸法。宜于大批量生产。缺点是设备费用大,且不易控制。

(4)区域熔炼法。可获得高质量的单晶材料,杂质分布均匀。缺点是价格昂贵,不宜大批量生产。

(5)单晶拉制法。可获得高质量的单晶,但单晶炉的结构比较复杂。缺点是不适宜大批量生产。

(6)外延法制取薄膜。该法目前用于Bi2Te3薄膜生长。

类别划分

热电材料种类繁多,如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、GeTe、CeS及某些Ⅱ-V族。Ⅱ-Ⅵ族、V-Ⅵ族化合物和固溶体,目前已有一百余种。按工作温度分类,可分4大类:

低温材料

工作温度约为200℃,主要是Bi2Te3及Bi2Te3为基的固溶体合金材料,常用于温差致冷,小功率的温差发电器(如心脏起搏器)和级联温差发电机的低温段。温差电材料的转换效率一般为3%~4%。以Bi2Te3为基的温差电材料具有最佳的优值和最大的温度降。

中温材料

工作温度约为500~600℃,主要是PbTe、GeTe、AgSbTe2或其合金材料。PbTe早已用于工业生产,是较成熟的材料,它制备工艺较简单,且可制成n型和p型材料。AgSbTe3具有极低的晶格热导率,前途看好。中温材料可用于温差致冷(如PbTe等),而主要用于温差发电机和级联温差发电机的中温段,工作温度的上限由材料的化学稳定性决定。材料的转换效率一般为5%左右。

高温材料

工作温度约为900~1000℃,主要有SiGe、MnSi2、CeS等。SiGe合金是较成熟的合金材料。虽然制备工艺有一定难度,但机械强度大,工作温度范围宽,从室温到900℃间的平均优值可达8.5×l0-3/℃,SiGe合金材料的理论转换效率可达10%。

液态材料

工作温度可高达数千度,主要使用于极高温度的热源。主要材料有Cu2s·Cu8Te2S等。目前,液态材料还处于研究阶段。按功能分类,可分为两大类:

(1)温差发电材料。主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe等合金材料。半导体温差发电机的特点是:无噪声、无磨损、无振动、可靠性高、寿命长;维修方便;易于控制和调节,可全天候工作;可替代电池。半导体温差发电机的热源,可用煤油、石油气以及利用Pu238、sr90、Po210等放射性同位素。

(2)温差致冷材料。主要是铋、锑、硒、碲组成的固溶体,通常是由Bi—Sb—Te组成p型材料,Bi—Se—Te组成n型材料。目前,半导体致冷器所用材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3及其固溶体,其优值系数z为2~3×10-3/℃。通常把若干对温差电偶排列成阵、组成半导体致冷电堆或组成级联式致冷电堆。目前,一级半导体致冷电堆可达-40℃,两级或三级的致冷器,其致冷温度可达-80℃到-100℃。当然,致冷温度愈低,效率和产冷量就愈低。

应用领域

半导体温差发电材料用于制备温差发电机,已应用于海岸挂灯、浮标灯、边防通讯用电源、石油管道中无人中继站电源和野战携带电源以及海底探查、宇宙飞船和各类人造卫星用电源。

半导体温差致冷材料,用于制造各种类型的半导体温差致冷器,如各种小型冷冻器、恒温器、露点温度计、电子装置的冷却,以及在医学、核物理、真空技术等方面都有应用。

发展趋势

(1)寻求为满足不同用途和更佳优值系数的新型半导体材料。

(2)对材料的研究愈来愈深入,如将p型Sb2Te3加入Bi2Se3中,组成四元合金,获得较好的Z值。

(3)发展材料制备工艺,以获得最佳的组织结构。例如,Bi2Te3及以其为基的固溶体在晶体结构上是辉碲铋矿型结构,有强烈的方向性,平行于解理面的电导率σ是垂直于解理面的4~10倍,热导率为3~5倍,温差电优值系数约为2倍,所以取向晶体致冷元件正是利用晶体的这一特点。

(4)以多种材料,按不同的工作温度范围配套,改善优值系数。

版权声明:aysz01 发表于 2022-08-06 11:34:39。
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