導(dǎo)讀：當(dāng)今，化石能源短缺和環(huán)境污染問題凸顯，能源的多元化和高效多用成為解決能源與環(huán)境問題的個(gè)重要途徑。作為種綠色能源技術(shù)和環(huán)保型制冷技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。熱電器件可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，在航空航天、低品位熱回收和固態(tài)制冷域具有重要的研究價(jià)值。

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是用材料的塞貝克（Seebeck）效應(yīng)與帕爾貼（Peltier）效應(yīng)將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)，包括熱電發(fā)電和熱電制冷。這種技術(shù)具有系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣等點(diǎn)。隨著研究的深入，別是對(duì)熱電半導(dǎo)體輸運(yùn)機(jī)制的深入理解及新的調(diào)控機(jī)理及制備手段的應(yīng)用，熱電材料的性能得到了長足的進(jìn)步，研究重點(diǎn)也逐漸從側(cè)重基礎(chǔ)的材料研究向側(cè)重應(yīng)用的器件研究轉(zhuǎn)移。

熱電器件可按用途簡單分為熱電發(fā)電器件（TEG）及熱電制冷器件（TEC），般由n型和p型的熱電材料通過熱并聯(lián)和電串聯(lián)的形式構(gòu)成，其工作原理見圖1。隨著航空航天、物聯(lián)網(wǎng)及低品位熱回收等域的發(fā)展，熱電發(fā)電器件的性能越來越受到人們關(guān)注，除了用于制備器件的熱電材料本身的zT值這重要因素外，器件的結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸、連接方式）以及界面材料等都對(duì)器件性能有重要影響，因此，對(duì)于發(fā)電器件性能的準(zhǔn)確測量從而改善器件的設(shè)計(jì)及制造工藝成為科研工作者的迫切需求。

圖1、熱電發(fā)電器件與制冷器件的工作原理

日本Advance Riko公司推出的小型熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)Mini-PEM（圖2）可以測量單腿器件的熱電轉(zhuǎn)換效率，該設(shè)備為目前唯·商用的可以測量單腿器件熱電轉(zhuǎn)換效率的測量系統(tǒng)，熱端溫度高達(dá)500℃，可以測量器件在不同溫差條件下的發(fā)電量、熱流量及大轉(zhuǎn)換效率。在近期的工作中，科研工作者使用小型熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)Mini-PEM測量了碲化鉍基熱電材料制備的單腿發(fā)電器件。

圖2、小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM

碲化鉍基熱電材料是目前應(yīng)用廣泛的熱電材料，其具有異的熱電性能，且能在近室溫附近表現(xiàn)出佳性能，國內(nèi)外大量的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)于提升其性能進(jìn)行了大量深入的研究。近日，來自清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用放電等離子體燒結(jié)法，對(duì)碲化鉍合金的制備工藝的改良進(jìn)行了研究。該團(tuán)隊(duì)在原料中加入過量碲單質(zhì)，隨后控制放電等離子體燒結(jié)溫度在共晶點(diǎn)上循環(huán)升降。采用此工藝能有效降低晶粒的界面自由能，促進(jìn)晶粒的快速長大，從而減弱了塊體內(nèi)部晶界對(duì)載流子的散射作用，顯著改善了電學(xué)性能提升了功率因子（PF）；在伴隨共晶液相的擠出過程中引入大量位錯(cuò)。同時(shí)還可形成大量第二相，進(jìn)步增加了位錯(cuò)密度。這些結(jié)構(gòu)能有效增強(qiáng)聲子散射，從而降低晶格熱導(dǎo)率（κL）。終，化工藝參數(shù)和組分的p型(Bi,Sb)₂Te₃材料的ZT值達(dá)到1.46，較常規(guī)放電等離子體燒結(jié)得到的商用(Bi,Sb)₂Te₃材料提升了50%，采用該材料制備的單腿器件的熱電轉(zhuǎn)換效率提升超過80%^[1]。

圖3、單腿器件結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物照片（a），熱電轉(zhuǎn)換效率（η）與電流（I）的關(guān)系：經(jīng)過4次SPS循環(huán)的Bi0.4Sb1.6Te3.2（b），1C樣品：1次循環(huán)（c），商用(Bi,Sb)2Te3：標(biāo)準(zhǔn)球磨-燒結(jié)制備（d），經(jīng)過4次SPS循環(huán)的Bi0.4Sb1.6Te3.2的理論值（e）

作為發(fā)電熱電材料，p型Bi₂Te₃基熱電材料性能*，但高性能的n型材料相對(duì)缺乏，為解決這問題，科研工作者進(jìn)行了多種嘗試。來自南方科技大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在n型Bi₂Te₃材料中復(fù)合過量的碲（Te）單質(zhì)，通過燒結(jié)使碲單質(zhì)熔化流出，在基體中引入位錯(cuò)。此外，還復(fù)合摻雜了銻（Sb）元素，使材料中同時(shí)存在多種缺陷，從而達(dá)到了降低熱導(dǎo)率的目的，顯著提高zT值。使用Bi_1.8Sb_0.2Te_2.7Se_0.3 + 15 wt% Te 的n型熱電腿和Bi_0.5Sb_1.5Te₃的p型熱電腿制備的熱電轉(zhuǎn)換器件，實(shí)現(xiàn)了3.7W的大輸出功率及6.6%的轉(zhuǎn)換效率^[2]。

與上述研究不同，此工作中科研工作者制備了由70對(duì)π形結(jié)構(gòu)組成的器件（圖4），器件尺寸30 mm×30 mm×3.8 mm，值得注意的是，本工作的發(fā)電量及熱電轉(zhuǎn)換效率是由日本ADVANCE RIKO公司生產(chǎn)的熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)PEM-2測得的。

圖4、載流子局域化示意圖（a），n型Bi₂(TeSe)₃的zT值與溫度的關(guān)系曲線（b），熱電器件的輸出功率（c），熱電轉(zhuǎn)換效率（d）

熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)PEM-2支持多種器件尺寸，熱端高溫度可達(dá)800℃，測量在惰性氣體（Ar）中進(jìn)行。為了模擬熱電發(fā)電器件在真實(shí)工況中的使用，Advance Riko公司新近推出了大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)F-PEM，該系統(tǒng)可在大氣環(huán)境下，對(duì)負(fù)荷溫差的器件的發(fā)電量及熱流量進(jìn)行測量，計(jì)算熱電轉(zhuǎn)換效率。該系統(tǒng)還可以長時(shí)間運(yùn)行熱循環(huán)測試，從而測試商用組件在負(fù)載和溫度下的耐久性。

圖5、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM-2（a），大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)F-PEM（b）

此外，上述兩篇文章中材料的電輸運(yùn)性能（電導(dǎo)率σ、塞貝克系數(shù)S）均使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM-3（圖6）測得。

圖6、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM-3

延伸閱讀

日本Advance Riko公司已業(yè)從事“熱”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)近60年，并直走在相關(guān)域的前端，為各地的科學(xué)研究及生產(chǎn)活動(dòng)提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數(shù)測量等系統(tǒng)。2018年初，Quantum Design 中國公司將日本Advance Riko公司的新的進(jìn)熱電材料測試設(shè)備：小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM及薄膜厚度方向熱電性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)ZEM-d引進(jìn)中國。

2018年7月，Quantum Design中國與日本Advance Riko達(dá)成協(xié)議，作為其熱電材料測試設(shè)備在中國的·家代理商繼續(xù)合作，攜手將日本Advance Riko進(jìn)的熱電相關(guān)設(shè)備介紹到中國。

目前，所有中國用戶購買的日本Advance Riko熱電產(chǎn)品，均由Quantum Design中國公司的工程師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)安裝及售后服務(wù)。同時(shí)，Quantum Design 中國公司在日本Advance Riko公司的協(xié)助下，在北京建立部分熱電設(shè)備示范實(shí)驗(yàn)室和用戶服務(wù)中心，更好的為中國熱電技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] H. Zhuang et al. / Thermoelectric Performance Enhancement in BiSbTe Alloy by Microstructure Modulation via Cyclic Spark Plasma Sintering with Liquid Phase. Adv. Funct. Mater. 2021, 2009681

[2] B. Zhu et al. / Realizing Record High Performance in n-type Bi₂Te₃-Based Thermoelectric Materials. Energy Environ. Sci., 2020, 13, 2106-2114

相關(guān)產(chǎn)品

1、小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)-Mini-PEM

https://www.chem17.com/product/detail/28990792.html

2、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)-PEM

https://www.chem17.com/product/detail/28990635.html

3、大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)-F-PEM

https://www.chem17.com/product/detail/30259670.html

4、聚合物薄膜厚度方向熱電性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)-ZEM-d

https://www.chem17.com/product/detail/34824099.html

5、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)

https://www.chem17.com/product/detail/28990551.html