块体热电材料的研究进展

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1、能源材料专题块体热电材料的研究进展＊张成毅１，２１１，陈玉标陈玲（１中国科学院福建物质结构研究所光电材料化学与物理重点实验室福州３５０００２）（２中国科学院研究生院北京１０００３９）摘要文章重点介绍了现役热电材料（Ｂｉ２Ｔｅ３，ＰｂＴｅ，ＳｉＧｅ）、常见结构类型（方钴矿型，笼合物型，Ｈａｌｆ－Ｈｅｕｓｌｅｒ合金型，钠钴氧型和Ｚｎ４Ｓｂ３型）热电材料及新颖晶体结构类型的热电材料的晶体结构、热电性能、热电性能优化等方面的最新研究进展．关键词无机非金属材料，块体热电材料，热电性能优化，热电材料设计Ｒｅｃｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ

2、ｓｏｆｂｕｌｋｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ１，２１１，ＺＨＡＮＧＣｈｅｎｇ－ＹｉＣＨＥＮＹｕ－ＢｉａｏＣＨＥＮＬｉｎｇ（１ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＦｕｊｉａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＭａｔｔｅｒ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０００２，Ｃｈｉｎａ）（２ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅ

3、ｉｊｉｎｇ１０００３９，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｒｉｅｆｏｖｅｒｖｉｅｗｉｓｇｉｖｅｎｏｆｓｅｖｅｒａｌｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄＢｉ２Ｔｅ３，ＰｂＴｅａｎｄＳｉＧｅ，ｃｏｍｍｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｓｕｃｈａｓｔｈｅｓｋｕｔｔｅｒｕｄｉｔｅｓ，ｃｌａｔｈｒａｔｅｓ，ｈａｌｆ－Ｈｅｕｓｌｅｒｉｎｔｅｒｍｅｔａｌ－ｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅｓａｎｄＺｎ４Ｓｂ３－ｔｙｐｅｃｏｍｐｏｕｎｄｓ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｙｐｅｓｗｉｔｈｖａ

4、ｒｉｏｕｓｎｅｗｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅｓ．Ｔｈｅｃｒｙｓｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｅｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｉｎｏｒｇａｎｉｃｎｏｎｍｅｔａｌｌｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｂｕｌｋｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ，ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ用领域．日本久保田公司开发

5、出一种热电转换装１引言置，能把３００℃以下的低品位废热转换为电能，当热电材料温差为２６０℃时，发电功率可达６４０Ｗ．而热电材料是一种能利用泽贝克（Ｓｅｅｂｅｃｋ）效应，热电制冷相对于传统的机械式压缩制冷有以下优佩尔捷（Ｐｅｌｔｉｅｒ）效应和汤姆孙（Ｔｈｏｍｓｏｎ）效应实现点：热电制冷装置重量轻；无机械转动部件，因此工热能与电能之间相互转换的无机半导体材料．热电作无噪音；通过调节工作电流可实现制冷速率精密材料可应用于热电发电和热电制冷两个领域．热电控制；改变电流方向可实现制冷与制热之间的切换，发电是利用Ｓｅｅｂｅｃｋ效应将热能转

6、换为电能，而热但其缺点是制冷效率比较低．热电制冷已被用于精电制冷则利用Ｐｅｌｔｉｅｒ效应，通过电能驱动实现热密电子设备、医疗器械等的定点精密制冷领域．量从冷端向热端的输运．相对于传统热机发电机，热电材料性能常用无量纲常数ＺＴ来评价，材热电发电机的效率比较低，但热电发电装置联接紧料的ＺＴ值越大，热电转换效率越高．ＺＴ值的定凑，无机械转动部件，工作无噪声，使用寿命长．热＊　国家自然科学基金（批准号：９０９２２０２１；２０８０３０８０）、中国科学院电发电机目前主要是用作深太空探测的唯一电源，知识创新工程（批准号：ＫＪＣＸ２－ＹＷ－Ｈ

7、２０；ＣＸＪＪ－１１－Ｍ７１）资助项还可用于水下油管阴极保护、无人看护灯塔照明等目方面．当前，人们还在积极研究如何将热电材料应２０１０－１１－０５收到用于汽车尾气回收、家庭热电联产和日用商品等民通讯联系人．Ｅｍａｉｌ：ｃｈｅｎｌ＠ｆｊｉｒｓｍ．ａｃ．ｃｎ·７１９·物理·４０卷（２０１１年）１１期ｈｔｔｐ：??ｗｗｗ．ｗｕｌｉ．ａｃ．ｃｎ能源材料专题义表达式为ＺＴ＝Ｓ２料，也是商业化应用最广泛的材料，主要用于制作σＴ／κ，而相应的热电转换效率η表达式为半导体制冷片．Ｂｉ２Ｔｅ３室温时的ＺＴ值为０．６．（１＋ＺＴ）１／２ΔＴ·－

8、１，η＝（１＋ＺＴ）１／２＋ＴｈＴｃ／Ｔｈ其中Ｓ和σ分别为Ｓｅｅｂｅｃｋ系数和电导率，κ为热导率，ΔＴ＝Ｔｈ－Ｔｃ，Ｔ＝（Ｔｈ＋Ｔｃ）／２，Ｔｈ和Ｔｃ分别为热端温度和冷端温度．从热力学角度来讲，ＺＴ值并没［１］有上限，但目前实用热电材料的ＺＴ值只有０．８左右，可实现的工作效率