热电材料与温差发电技术 - 中国物理C.PDF

热电材料与温差发电技术 赵新兵 热电材料是一种通过固体中载流子（电子和空穴） （100 ℃），冷端用冰水冷却 （0 ℃），从而可以获得 运动实现热能和电能之间直接转换的功能材料。用热 一个恒定的输出电压。在 19 世纪20 年代，这是最可 电材料制造的温差发电器具有无机械运动、无噪声、 靠的恒压直流电源。但在早期，人们普遍认为只有金 无磨损、可靠性高、免维护、无污染、尺寸形状可根 属才是重要的导电体，而大部分金属材料的塞贝克系 据需要设计等突出优点，在工业余热发电、特殊场合 数都只有10 mVK －1 左右。因此在很长的一段时间内， 长寿命电源、便携式小型电源、植入式微型电源等领 热电材料的性能都在很低的水平上徘徊，最主要的应 域具有重要应用前景。 用是制造温度测量的热电偶。 材料的热电现象最早由德国科学家塞贝克 （T. J. 20 世纪初，德国科学家阿尔滕基希 （Altenkirch ） Seebeck ，1770 ～1831）发现并发表于德国科学院物 提出了一个相对完整的热电理论，指出一种良好的热 理类 1822 ～1823 年报。如图1 所示，将指南针放在 电材料除了必须具备较大的塞贝克系数 以外，还需 a 一个由金属铜 （图1 上部槽型板）和金属铋 （图1 下 要有较高的电导率 和较低的热导率 。这些值所反 s k 部直板）组成的闭合回路中，当加热该回路中的一端 映的热电综合性能可以具体通过一个统一的热电优值 Z Z 2 －1 时指南针会产生偏转。其原因在于，当金属一端被加 表示， = / ，其量纲为K 。在实际应用中，也 a s k T ZT 热后，两端之间的温度差 将在金属两端形成一个 常用无量纲优值 描述热电材料的性能。 D V V T 电势 （即温差电势） 。两者之比， = / ，为温 D a D D 1. 热电学基本理论 差电势系数，通常也称为塞贝克系数。不同的材料具 塞贝克效应源于材料内部载流子 （携带负电荷的 有不同的塞贝克系数，在相同温差下可能产生大小和 电子和携带正电荷的空穴）的分布与运动特性。对于 方向不同的温差电势。从而在由异种金属构成的回路 处于均一温度场的孤立均质导体，载流子在材料中的 中产生电流，形成使磁针发生偏转的磁场。这种由于 分布是均一的。但是当材料两端存在温差时，热端附 温差产生电势的现象后来被称为塞贝克效应。 近的载流子将具有比冷端附近载流子更高的动能。对 半导体材料而言，热端附近受热激发进入导带或价带 的载流子数量也将高于冷端附近，从而在材料内部形 成载流子从热端到冷端的扩散。这种载流子的运动会 破坏材料内部原来的载流子均匀分布，冷端附近聚集 的载流子将产生一个自建电场，以阻止载流子继续从 热端向冷端的进一步扩散。当这一过程最终趋于平衡