半导体分段温差电元件的设计.pdfVIP

半导体分段温差电元件的设计 赵嘉鹏1，张维连1，周子鹏1，吴知非2黄志勇2’周世新2 (1．河北工业大学半导体材料研究所天津300130； 2．清华大学核能与新能源技术研究院宇航技术研究中心。北京100084) 摘要：分段温差电元件能够在较宽的温度范围内提高热电转换效率．本文时锗硅(SiGe)、碲化铅 ㈣材料和碲化铋仍i21e3)材料细成的分段温差电元件进行了理论设计和计算．确定了在热面温度为 1073 K、冷面温度为323K，元件总长度为20mill时，锗硅材料的最佳长度为13．4mm，PbTe材料的 最佳长度为4．1mm．测试结果表明，由设计的元件制作出的分段温差电单偶其热电转换效率达到 6．7l％。 关键词： 温差电元件；热电材料；热电转换效率 1前言 为了在较宽的温度范围内最有效地利用温差电材料，提高热电转换效率，世界各国开展了功能梯度温差 电材料的研究工作。Bi2Te3用于低温范围，彤re用于中温范围，SiGe用于高温范围【2】。这样构成的分段温差电 材料的无量纲优值(zr值)近似为l。经理论计算，能量转换效率可达23．3％【3】。 铅(眦Ie)材料使用过程中，热面温度一般在773l(左右，而冷面一般在373l珐I右，在约730K时无量纲优 值最高。因此，热电转换效率也最高；碲化铋(Bi21b)材料适用于低温发电，使用过程中热面温度一般在 降。因此，设计分段温差电元件，使不同材料在各个温度区域发挥各种材料的最佳性能，关键是找到合适的 GeSi材料、附re材料和Bi2Te3材料长度的比例。 本文设计了—种Gesi、M．e和Bi洒材料构成的的分段温差电元件在323--1073K温度区间将热电转换 效率提高至蚯71％。 2实验方法 设定界面温度分别为仍l【和773K，分段温差电单偶的总长度为2嘶吼，直径为6。5mm。热面工作温度 Y91073K，冷面工作温度为323K。又假设温差电单偶的侧面无热漏损失。由傅里叶传热定律可知： 例半 材料长度㈣。 基金项目：’词j匕省自Il!浠拳学基金资助项目 595 假设通过Gesi材料的热量为夕l，通过PbR材料的热量为妒2，通过Bi幽材料的热量为矽3。在能量守 恒时，则有矽l=矽严≯3。 由温差电理论啊知，当负载电阻的阻值与温差发电器内阻阻值的比值MFh(1)式表示时，温差电元件 可以得到最大的热转换率： M= z=宰 (2) 旯 式中， (1)石的参数Z表征温差电材料的性能，称为温差电优值，用(2)式表示，S是温差电材料的 度(K)，Tc为冷面温度(K)。 此时，最大热电转换效率‰可表示为： ‰：毕×品 @’(3) ‰2苛×丽而可 (3)式中，前—部分称为卡诺效率，只与温差电原件冷热端的温度有关，温差电优值z由塞贝克系数 S、电导率拥热导率蝎色定，这三个参数并不是孤立的。要得到优值高的温差电材料’只有提高材料的塞贝 克系数S和电导率o降低材料的热导率九。 3结果及分析 K温度区 间的平均值名口12碣-I．91 W／ (mK)。蚶io树料热导率的温度曲线如图2所示。 m Ⅻ IIo m ∞ 蛳 蛳400●∞蛳 r／g 佩 (a) 图1 Bi211e3材料(a)和FaTe材料(b漱导率随温度的变化曲线