《Science》！熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)PEM助力客戶(hù)文章登上期刊

時(shí)間：2021-8-25閱讀：1183

導(dǎo)讀：當(dāng)今，化石能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)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(wèn)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。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是用材料的塞貝克效應(yīng)與帕爾貼效應(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)。熱電器件可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，在廢熱回收和固態(tài)制冷域具有重要的研究?jī)r(jià)值，對(duì)熱電發(fā)電器件的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行精確測(cè)量是評(píng)價(jià)熱電材料和器件性能的重要基礎(chǔ)。

熱電材料性能指標(biāo)的關(guān)鍵在于能源轉(zhuǎn)換效率，其由材料的無(wú)量綱熱電性能值（ZT值）決定。由ZT值的定義式（ZT = (Sσ/κ)T）可知，在給定溫度T下，高性能熱電材料應(yīng)具有大的塞貝克系數(shù)S、高的電導(dǎo)率σ和低的熱導(dǎo)率κ。然而，這些熱電參數(shù)相互之間具有強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，使得熱電材料的性能化具有很大挑戰(zhàn)性，調(diào)控這些強(qiáng)烈耦合的復(fù)雜熱電參數(shù)是提高材料ZT值和熱電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。隨著熱電材料域的研究越來(lái)越受重視，不斷涌現(xiàn)出了諸多提升ZT值的有效策略：化載流子濃度以提高電導(dǎo)率；調(diào)整電子能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)等化電傳輸性能；通過(guò)引入點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、晶界、納米沉淀物等進(jìn)行多尺度分層架構(gòu)設(shè)計(jì)以降低熱導(dǎo)率；探索和開(kāi)發(fā)具有本征低熱導(dǎo)率性的新材料體系；通過(guò)高通量及基于基因計(jì)算等預(yù)測(cè)潛在熱電材料等。

近日，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)、清華大學(xué)及武漢理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)摻雜Pb，顯著提高了p型SnSe晶體室溫附近的電傳輸性能。該工作以《Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments》為題目發(fā)表在《Science》上。

以往研究中，多選用窄帶隙或半金屬材料作為熱電制冷材料，趙立東教授課題組則主要開(kāi)發(fā)寬帶隙熱電材料，用各向異性調(diào)和電輸運(yùn)與熱輸運(yùn)的矛盾。該研究通過(guò)在動(dòng)量空間和能量空間同時(shí)作用的多價(jià)帶協(xié)同傳輸策略，實(shí)現(xiàn)了p型SnSe晶體熱電性能的顯著提升；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（大發(fā)電量及功率），還實(shí)現(xiàn)了大溫差的電子制冷。這研究表明SnSe基晶體材料在溫差發(fā)電和電子制冷方面有巨大潛力，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)量更加豐富等勢(shì)，具備十分巨大的應(yīng)用價(jià)值。

圖1. 使用PEM-2測(cè)得的溫差發(fā)電器件性能：電壓（A）和輸出功率（B）

以上工作中，材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的塞貝克系數(shù)/電阻測(cè)量系統(tǒng)ZEM-3測(cè)得，熱電轉(zhuǎn)換器件（TEG）的發(fā)電量、輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)PEM-2測(cè)得。

圖2. 使用PEM-2測(cè)得的溫差發(fā)電器件的轉(zhuǎn)換效率

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(kāi)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(cè)量等系統(tǒng)。2018年初，Quantum Design 中國(guó)公司將日本Advance Riko公司的新進(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及大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)F-PEM引進(jìn)中國(guó)。

2018年7月，Quantum Design中國(guó)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(guó)的du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(guó)。

目前，所有中國(guó)用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的日本Advance Riko熱電產(chǎn)品，均由Quantum Design中國(guó)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(guó)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(hù)服務(wù)中心，更好的為中國(guó)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] 《Science》刊發(fā)北航趙立東教授課題組在電子制冷材料研究上的新進(jìn)展，北京航空航天大學(xué)新聞網(wǎng)

[3] 南科大何佳清團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表SnSe熱電材料和器件重要成果，南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)

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