第三章 热电、光电材料.ppt

第三章 热电、光电材料与太阳能电池 一、热电材料 所谓热电材料(Thermoelectric material)就是把热转变为电的材料，包括温差电动势材料，热电导材料和热释放材料。 1 温差电动势材料 温差电动势效应 塞贝克效应 (Seebeck effect) SAB为材料A和B的塞贝克系数：它是热电偶最重 要的特征量。当电流由热端T2经A流向冷端T1时SAB为正，反之为负。 SA、SB—A、B材料的塞贝克系数。 温差电热效应 在热电回路中，与两接点间的温度差而引起的塞贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种热效应，帕尔贴和汤姆逊热效应。前者出现在不同的两个电极的接头处；后者一种导体的的两端上。 当电流通过一跟两端温度不同的导体（铅以外）时，若电流方向与热流方向一致则会放出热量（电流产生的焦耳热之外），反之则会吸热。 接点—介质温差效应 用半导体和两种不同金属连接成一个回路(半导体在两金属中间）并使半导体温度大于介质温度，即可产生电动势，这也是一种温差效应。 温差电(势)效率η 温差电动势材料的种类 合金：常用的热电极材料中，合金类占很大比例 半导体合金 化合物：氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。 温差电动势材料的应用 温差电动势材料主要应用在两个方面：一方面制作热电偶用于测温，这方面应用的材料主要是高纯金属和合金材料；另一方面热电转换材料（可制作温差电堆），用来发电或做致冷器，这类器件所用的材料主要是高掺杂半导体材料。 热点转换材料的研究现状 热电导效应：当温度升高时，材料的电导率发生较大变化的材料称为热电导材料。 热电导材料的特征值 电导率（电阻率）的温度系数 耗散系数H 功率灵敏度?ρ 热敏电阻等热敏元件：热敏电阻合金的电阻温度系数要大，电阻值与温度呈线性关系，电阻值随时间稳定性好。这类合金有钴、镍和铁基，用于航空、航天器中的大气温度加热器、家用电器元件。如电褥、屯贸斗、电烙铁等； 热电导半导体材料：多数半导体的电阻率随温度而变化。利用这个性质可以做半导体热敏器件，如二极管温度敏感器件、半导体热敏传感器、红外探测器元件、红外成像集成阵列等。 3、热释电材料 热释电效应(pyroelectric effect ,1756年， 德国科学家Franz Ulrich Theodor Aepinus ) 热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时，由于自发极化在晶体的一定方向上产生表面电荷。这一效应称为热释电效应。热释电效应反映了晶体的电量与温度之问的关系 晶体中存在热释电效应的前提是具有自发极化，晶体结构的某些方向的正负电荷重心不重合，故存在固有电矩。 晶体结构中存在着与其它极轴不相同的惟一极轴(极化轴)时，这样才有可能因热膨胀而引起总电矩的变化，即出现热释电效应。 如果在晶体两端连接一负载Rn，则会产生电位差ΔV（热释电）。 热释电材料的种类 热释电材料有晶体和高聚物晶体两大类。 晶体 在32个点群中，也就是在32类晶体对称类型中，有10类对称型的晶体有热释电效应。它可分为单晶或陶瓷。这些热释电晶体又可分成两类， 具有自发极化但自发极化不能为外电场所转向的晶体，如电石、CaS、CaSe（硒）、Li2SO4?H20、ZnO等，通常称它们为热释电晶体； 自发极化可以为外电场所转向的晶体，即铁电晶体，如TGS(硫酸三甘肽)、LiiNbO3、PbTiO3、BaTiO3等。经过强直流电场的极化处理后，能从各向同性体变成各向异性体。 有机高聚物晶体 聚偏二氟乙烯(PVDF)等热释电材料，其优点是可制成大面积，且制造工艺简单，价格低廉； PVDF厚度越小．热释电系数越大。这类热释电材料一般作成10-50μm厚的薄膜使用。 热释电材料的应用 热释电材料可作热释电探测器使用。其中锆钛酸铅（Pb(Zr, Ti)O3）陶瓷材料，由于改性减少了热滞，显示了良好的热释电性能，已制成了单个探测器和矩阵，在红外探测和热成像系统中得到应用。 二、光电材料 光电材料是能把光能转变为电能的一类能量转换功能材料；包括光电子发射材料、光电导材料和光电功势材料。 1、光电子发射材料 光电子发射的原理 当光照射时，光被材料吸收产生发射电子的现象称为光电子发射现象：具有这种现象的材料称为光电子发射材料。光电子发射现象是光—电子能量转换的结果。 有外部光电发射和内部光电发射两种。 能带结构 E结合与能带结构有关。 对于固体材料 费米能级费米能级是绝对零度下电子的最高能级。根据泡利不相容原理，一个量子态不能容纳两个或两个以上的费米子，所以在