半导体温差电转换器件发电性能研究.pdfVIP

半导体温差电转换器件发电性能的研究 周子鹏1，张维连1，赵嘉鹏1，黄志勇2，周世新2，昊知非3 (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； 3．清华大学宇航技术研究中心，北京100084) 摘要： 利用半导体材料的赛贝克效应制成的半导体热电器件在诸多方面有着巨大的应用 潜力，使用SiGe合金材料制成的温差电转换器件适合于高温下工作，而BiTe合金材料制成 的热电器件在低温区(室温范围内)具有良好的热电性能。本文重点研究了器件在不同工作 温度下器件的伏安特性及发电性能。通过对热电偶对数不同的热电器件进行的对比实验结果， 分析讨论了热电偶对数对器件热电转换效率的影响，探讨了获得较高热电转换效率的温差发 电器的合理结构和使用条件． 关键词： 半导体热电器件；热电材料；半导体热电偶；热电转换 1引言 热电材料又称温差电材料，是一种能够将热能直接转换成电能的功能材料。随着半导体技术的 迅速发展和各种优质半导体材料的相继问世，利用半导体热电材料制成的热电器件被广泛应用到无 人航标灯、深空电源等领域。目前的半导体热电器件按照工作温度可分为高温区热电器件、中温区 热电器件、低温区热电器件以及多温区热电器件。高温区热电器件主要使用的热电材料是SiGe合金， 其表面工作温度约1000C…；中温区热电器件使用的热电材料多为PbTe，其表面工作温度约600℃； 低温区热电器件使用的热电材料以BiTe为主，其热面工作温度约为200℃晗1；而多温区热电器件的 工作温度约为300～1000℃，N型热电偶臂和P型热电偶臂多是有两种或几种热电材料叠加而成∞1。 近年来，国外一些著名的研究机构都致力于高效的半导体热电器件，如美国航空航天局(NAsA) 研制出CTC多温区热电器件，它主要被应用于行星探测器的核电源(RTG)中，工作温差约为898K， 其质量比功率高达569W。／KgH3。本文对低温区厘米级半导体热电器件的发电性能进行了实验测试和 研究分析，通过实验测试分析研究了不同热电偶对数、不同工作温差对器件发电性能的影响。 2半导体热电器件的基本原理与内部结构 在两种不同类型(P型和N型)的半导体连接所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时， 回路中便会产生一个电势差，这就是半导体材料的赛贝克效应晒1。半导体热电器件便是利用半导体 材料的赛贝克效应而制成的，它是一种能够直接将热能转换为电能的功能器件。 半导体热电器件是一种“三明治”结构器件(如图l所示)，两端为绝缘陶瓷，中间为通过铜导 流片串联的P、n型半导体热电材料颗粒。本实验测试共使用三种半导体热电器件，分别为 基金项目：河北省自然科学基金资助项目 TgPI一07102、TEPl 1264—3 06062和TEPI4型半导体热电器件，其实物照片如图2所示。 *f锚盘埘化』： 陶霞4底 奠+ 航空导线 铜导流片世镲m挡层 罔2 中导仲热电*件内部结构示意列 TEPI一1 TEPl 264一4型 06062犁TEPi-07102型 田2{目掣q的半导体热电器件 这三种半导体热屯器件均采用PBiTe材料和n—BiTe材料作热电材料，井组成半导体热电偶 具体参数如表l所示。 表l半导体捣电矗件参越 8件型号 外ⅢKJ(HI 热电倡对教(n} 平均J．作温度(℃) 撮陬热面温度(℃J 3半导体热电器件发电性能的测试与分析 本实验选取表l中三种规格的低温区半导体热电器件进行相戈的实验测试。在实验测试过程中， 将整个半导体热电器件作为一个整体来考虑，井搭建了可装载半导体热电器件的发电装霹，在热面 使用内部装青可控温电热蝗的长方体铜块作为』u热热源，冷而使用散热片来进行散热，实验温度范 lq为25-350C。实验过程中，使用WRKK一103型热电偶来测试温度。 3．1工作温差对发电性能的影响 将TBPI一1264．{4型半导体热电器什放置在温差发