功能材料基础与应用 课件（化工） 2.7 热电材料的基本理论.ppt

2.7 热电材料的基本理论 上世纪最紧缺的是“粮食”，现在我们人类最紧缺的是什么？（绿色能源）火力、水利、风力、核能、化学能（如铅酸电池，锂离子电池等）、太阳能电池发电有什么缺点呢？ 汽车尾气释放的大量高温热，钢厂、发电厂、化工厂放出余热，放射性元素辐射热如何利用？能否利用新的制冷装置取代具有严重污染性的氟利昂空调？ 1 2.7.1 热电效应 指材料中由于温差而引起的电效应以及由电流引起的可逆热效应。 可分为赛贝克效应、珀尔帖效应以及汤姆逊效应，其中比较有应用价值的是赛贝克效应和珀尔帖效应，他们可分别用于发电及制冷。 2 1770年出生于德国塔林富商家庭。1802年获格廷根大学医学学位。学医是他父亲的意愿。但他本人对物理更感兴趣。因此，获医学学位后便集中精力研究物理。1831年于柏林逝世。 科研成果：第一个制成和描述钾混合物。第一个记录太阳光照射在AgCl上出现光谱。首先观察到钴和镍的铁磁性。发现压光效应。发现热电效应。 托马斯·约翰·塞贝克简介 （1）赛贝克效应 (科研方向的重要性，介绍自己热电材料研究的经历） 3 塞贝克效应示意图 ① 塞贝克效应的发现 1821年 热磁效应 （塞贝克） 热电效应（奥斯特） 4 当材料两端存在温差时，回路中的电势差为： 当TA与TB差异较小时，SAB为一常数，称为两种材料的相对赛贝克系数： 赛贝克系数的常用单位为μVK-1，其绝对值大小主要取决于材料自身的物理特性，并且规定电流在热端（即接头A处）由材料A流入材料B时赛贝克系数为正值，反之为负值。 5 ② 塞贝克效应的产生机理 6 对于金属：高温端电子能量高往能量低的低温端扩散。 对于P型半导体，空穴浓度np与温度T之间关系： 空穴浓度随着温度升高而迅速增大，当两端存在温差，高温端空穴浓度将远高于低温端，导致空穴由高温端向低温端扩散，低温端积累大量空穴，高温端则会积累大量电子。由于电荷累积，形成自建电场并使空穴发生与扩散方向相反的漂移运动，两种运动动态平衡，材料两端所形成的电势差即赛贝克电动势。 7 　　珀尔帖法国钟表匠，30岁放弃这个职业，投身到实验与科学观测领域。撰写大量论文绝大部分都是关于自然现象的观测，譬如天电、龙卷风、天空蓝度测量与光偏振、球体水温、极地沸点等，也有少量博物学方面的论文。 （2）珀尔帖效应 ① 珀尔帖效应的发现 1834年发现温差电效应 8 图中C、D两端施加一电动势ΔV，则在A、B两个接头将分别产生吸热或放热现象，且单位时间内产生的热量q与回路中的电流I成正比，称之为珀尔帖效应。 其中πAB为两种材料的相对珀尔帖系数，单位为V。当电流在接头A处由材料A流入材料B时，若该接头产生吸热现象，则珀尔帖系数为正值，否则为负值。珀尔帖效应的吸放热状态主要取决于材料自身的物理特性以及回路中电流的方向，利用该效应可以实现固态制冷。 9 ② 珀尔帖效应的产生机理 10 金属：减速电子从原子获取动能吸热，电子加速把获得的能量传给原子放热。 半导体：采用PN结能带理论来描述。电流由P型流入N型半导体时，P型半导体空穴和N型半导体电子将向两种材料接头处相向运动，发生复合，载流子与声子在PN结界面交换能量并释放出热量使接头处温度升高。 当电流由N型流入P型半导体时，两种半导体载流子背向运动，使接头处价带顶电子跃迁入导带底成为自由电子，载流子跃迁需要从环境吸收热量导致接头处温度降低。 11 （3）汤姆逊效应 ① 汤姆逊效应的发现 一种存在于单一均质材料中的热电效应。当某一均匀材料的两端存在温差且内部有电流通过时，导体除了产生焦耳热外，还要吸收或释放一部分可逆热，这部分热量被称为汤姆逊热。在单位时间和单位横截面积内产生的汤姆逊热量q与电流I及温度梯度?T存在以下关系： τ为汤姆逊系数，单位μVK-1，规定当电流方向与温度梯度方向一致时，若材料吸热，则τ为正值，反之为负值。 12 13 ② 汤姆逊效应的产生的机理 （4）三种效应之间的关联 赛贝克系数、珀尔帖系数及汤姆逊系数表征材料热电性能重要参数，三者关系由开尔文关系式说明： 大量关于金属及半导体材料的研究均证实了开尔文关系式的正确性，因而在实际研究中出于测量方便的考虑，往往先通过实验测量不同温度下材料的赛贝克系数，再利用开尔文关系式求出相应温度下珀尔帖系数及汤姆逊系数。 14 2.7.2 热电材料的主要性能 热