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這臺(tái)熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量設(shè)備連續(xù)助力Science、EES發(fā)表!

更新時(shí)間:2023-09-13點(diǎn)擊次數(shù):566

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級(jí)利用成為解決能源與環(huán)境問題的一個(gè)重要途徑。作為一種綠色能源技術(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)制冷領(lǐng)域具有重要的研究價(jià)值。

       近年來,隨著熱電技術(shù)的深入研究,特別是對(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),一般由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)及低品位熱回收等領(lǐng)域的進(jìn)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值這一重要因素外,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(cè)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。

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圖1、熱電發(fā)電器件與制冷器件的工作原理

       日本ADVANCE RIKO公司新推出的小型熱電轉(zhuǎn)換測(cè)量系統(tǒng)Mini-PEM(圖2)可以測(cè)量單腿器件的熱電轉(zhuǎn)換效率,該設(shè)備為目前少數(shù)商用的既可以測(cè)量單腿器件,也可以測(cè)量多對(duì)器件的熱電轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量系統(tǒng),熱端溫度可達(dá)500℃,可以測(cè)量器件在不同溫差條件下的發(fā)電量、熱流量及最大轉(zhuǎn)換效率。

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圖2、小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)Mini-PEM

       碲化鉍基熱電材料(BiTe)在室溫附近具有優(yōu)異的熱電性能,被廣泛應(yīng)用于低溫區(qū)的制冷及發(fā)電,是目前商業(yè)化應(yīng)用的熱電材料體系,但Te元素的稀缺性(地殼內(nèi)含量:0.005 ppm)使其廣泛應(yīng)用受到限制,因此尋找新的材料體系對(duì)于熱電材料的廣泛應(yīng)用非常重要。來自北京航空航天大學(xué)的趙立東教授課題組對(duì)于SnSe體系進(jìn)行了深入的研究,在2021年的工作中(Science 373 (2021) 556-561)通過摻雜Pb,顯著提高了p型SnSe晶體室溫附近的電傳輸性能,并制備了基于SnSe晶體材料的熱電器件,測(cè)試其溫差發(fā)電性能(最大發(fā)電量及功率),還實(shí)現(xiàn)了大溫差的電子制冷。這一研究表明了SnSe基晶體材料作為溫差發(fā)電和電子制冷材料的巨大潛力,使用p型SnSe晶體制備的器件,其制冷性能達(dá)到了使用傳統(tǒng)BiTe基材料的商用器件的70%(210K溫差下),但SnSe基熱電材料具有成本低、重量輕且儲(chǔ)量更加豐富的優(yōu)勢(shì),具備十分巨大的應(yīng)用潛力[1]。近期,該課題組通過在SnSe中引入Cu填充Sn空位,從而有效提高載流子遷移率,基于獲得的高性能SnSe晶體搭建的熱電器件在發(fā)電和制冷都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。發(fā)電器件(TEG)在300K溫差下能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)12.2%的發(fā)電效率,制冷器件(TEC)在室溫及高溫下也均實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的制冷性能[2]。

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圖3、使用SnCu0.001Se制備的單腿熱電發(fā)電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率(A)及熱電制冷器件(7對(duì))的最大制冷溫差(B)與理論計(jì)算值的比較

       該工作以《Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics》為題,發(fā)表在《Science》上,其中單腿發(fā)電器件的發(fā)電量及轉(zhuǎn)換效率均使用Mini-PEM測(cè)得。與上述工作不同,如果樣品為多對(duì)p-n結(jié)構(gòu),ADVANCE RIKO公司則提供熱電轉(zhuǎn)換測(cè)量系統(tǒng)PEM-2用于發(fā)電量及轉(zhuǎn)換效率的測(cè)量。熱電轉(zhuǎn)換測(cè)量系統(tǒng)PEM-2支持多種器件尺寸,熱端溫度可達(dá)800℃,測(cè)量在惰性氣體(Ar2)中進(jìn)行。

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圖4、熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)PEM-2

       近期,來自南方科技大學(xué)何佳清教授課題組的科研工作者,創(chuàng)造性地使用改變制備工藝引入層狀結(jié)構(gòu)以及引入Ge修飾點(diǎn)缺陷的復(fù)合優(yōu)化策略,改善了MnTe體系材料的載流子濃度,提升了熱電性能。使用Mn0.96Ge0.04Sb2Te4制備的熱電發(fā)電器件(8對(duì))在熱端溫度800K時(shí)發(fā)電量為0.81W,轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到5%[3]。該工作以《Microstructural Iterative Reconstruction toward Excellent Thermoelectric Performance in MnTe》為題,發(fā)表在《Energy & Environmental Science》上,其中熱電發(fā)電器件的轉(zhuǎn)換效率使用PEM-2測(cè)得。

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圖5、使用Mn0.96Ge0.04Sb2Te4制備的熱電發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)示意圖(a);發(fā)電量、電壓(b)及轉(zhuǎn)換效率(c)與電流的關(guān)系;本工作與其他工作的比較(d)

延伸閱讀

       日本ADVANCE RIKO公司已專業(yè)從事“熱"相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)近60年,并一直走在相關(guān)領(lǐng)域的前端,為世界各地的科學(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(cè)量等系統(tǒng)。2018年初,Quantum Design 中國公司將日本ADVANCE RIKO公司的新先進(jìn)熱電材料測(cè)試設(shè)備:小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)Mini-PEM、塞貝克系數(shù)/電阻測(cè)量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)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(cè)試設(shè)備在中國的代理商繼續(xù)合作,攜手將日本ADVANCE RIKO先進(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] Qin Bingchao et al., Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments, Science 30 Jul 2021: Vol. 373, Issue 6554, pp. 556-561

[2] Liu Dongrui et al., Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics, Science 380, 841–846 (2023)

[3] Luo Yiyuan et al., Microstructural Iterative Reconstruction toward Excellent Thermoelectric Performance in MnTe, Energy Environ. Sci., 2023, Advance Article


相關(guān)產(chǎn)品

1、熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)-PEM

2、小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)-Mini-PEM


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