2024-06-25 16:56:42, Anthony QUANTUM量子科学仪器贸易(北京)有限公司
当今,化石能源短缺和环境污染问题凸显,能源的多元化和高效多级利用成为解决能源与环境问题的一个重要途径。作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术热电转换技术受到学术界和工业界的广泛关注。热电器件可以实现热能和电能的直接转换,在航空航天、低品位热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值。
热电领域发展
随着航空航天、物联网及低品位热回收等领域的发展,热电发电器件的性能越来越受到人们关注,除了用于制备器件的热电材料本身的zT值这一重要因素外,器件的结构(形状、尺寸、连接方式)以及界面材料等都对器件性能有重要影响,因此,对于发电器件性能的准确测量从而改善器件的设计及制造工艺成为科研工作者的迫切需求。
日本Advance Riko公司新推出的小型热电转换测量系统Mini-PEM(图1)是一款既可以测量单腿器件,也可以测量多对器件的商用热电转换效率测量系统。该系统热端温度可高达500℃,可以测量器件在不同温差条件下的发电量、热流量及最大转换效率。
图1、小型热电转换效率测量系统Mini-PEM
赵立东教授课题组Science
碲化铋基热电材料(BiTe)在室温附近具有优异的热电性能,被广泛应用于低温区的制冷及发电,是目前极具前瞻性的热电材料体系,但Te元素的稀缺性(地壳内含量:0.005ppm)使其广泛应用受到限制,因此寻找新的材料体系对于热电材料的广泛应用非常重要。
来自北京航空航天大学的赵立东教授课题组对于SnSe体系进行了深入的研究,在2021年的工作中【Science 373 (2021) 556-561】通过掺杂Pb,显著提高了p型SnSe晶体室温附近的电传输性能,并制备了基于SnSe晶体材料的热电器件,测试了其温差发电性能(最大发电量及功率),还实现了大温差的电子制冷。这一研究表明了SnSe基晶体材料作为温差发电和电子制冷材料的巨大潜力,使用p型SnSe晶体制备的器件,其制冷性能达到了使用传统BiTe基材料商用器件的70%(210K温差下),且SnSe基热电材料具有成本低、重量轻且储量更加丰富的优势,具备巨大的应用潜力[1]。
2023年,该课题组通过在SnSe中引入Cu填充Sn空位,有效地提高了载流子迁移率,基于获得的高性能SnSe晶体搭建的热电器件在发电和制冷都表现出优异的性能。发电器件(TEG)在300K温差下能够实现最高12.2%的发电效率,制冷器件(TEC)在室温及高温下也均实现了优异的制冷性能[2]。
近期,该课题组通过物理气相沉积的方法制备了PbSe晶体,以及在PbSe晶体中额外引入微量的Pb,观察到了PbSe晶格中的本征Pb空位被填补,其对应的点缺陷散射被削弱,从而显著增加了载流子迁移率。基于获得的高性能N型PbSe晶体在发电与制冷都表现出优异的性能。如图2A所示,单腿器件在420K温差下能够实现 ~ 11.2%的发电效率;如图2B所示,与该课题组2023年开发的高性能P型SnSe晶体(Science 380(2023)841-846)搭配制备的Se基热电制冷器件在热端温度(Th)为室温下能够实现 ~ 73.3 K的制冷温差,其制冷性能优于Bi2Te3基等材料制成的制冷器件[3]。
图2、热电转换效率对比图(A);制冷器件温差对比图(B)
该工作以《Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3》为题,发表在《Science》上,其中单腿发电器件的发电量及转换效率均使用Mini-PEM测得。与上述工作不同,如果样品为多对p-n结构,ADVANCE RIKO公司则提供热电转换测量系统PEM-2用于发电量及转换效率的测量。热电转换测量系统PEM-2支持多种器件尺寸(最大40mm×40mm),热端最高温度可达800℃,测量在惰性气体(Ar2)中进行。
图3、热电转换效率测量系统PEM-2
何佳清教授课题组Science
近期,来自南方科技大学何佳清教授课题组的科研工作者,首次发现并验证了空穴载流子捕获和释放机制和其对材料电性能的调控作用,以及调控材料本证铅空位形态的赝纳米结构对材料热输运的抑制作用。课题组在碲化铅材料中构造了大量的纳米级空位团簇,这些团簇在材料中产生了大量的应力和应变,使材料的晶格热导率显著降低了,并且更加有利于热电材料的高服役。同时,热电器件结构设计和转换效率的提升,也有助于推动热电发电器件的发展和应用[4]。该工作以《Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe》为题,发表在《Science》上,其中热电发电器件的转换效率使用PEM-2测得。
图4、使用PbTe制备的热电发电器件的热电性能
07-01 英斯特朗
连载 | 药物一致性评价与粒度分析(三)07-01 欧美克仪器
【仪器百科】LS-909丨干湿二合一激光粒度分析仪07-01 欧美克仪器
标准物质解决方案 | PFASs(全氟及多氟化合物)06-29
第九期阿尔塔有约 | 环境专题【新污染物:PFAS】技术研讨会精彩回顾及提问解答06-29
“绿色技术范式”,分析化学未来发展方向——访中国分析测试协会副理事长、辽宁省分析科学研究院原院长刘成雁教授06-29 转载仪器信息网
华西医院-标准型数显脑立体定位仪、双通道体温维持仪、体式显微镜安装完成06-29 迈越生物
科鉴检测助力2家仪器企业获得首批产品可靠性认证证书06-28 科鉴检测
德国耶拿:锂电池生命周期分析解决方案06-28 德国耶拿
AI已来!生命科学本科教学如何紧跟技术浪潮06-28 Opentrons
盛瀚售后,五星级服务的秘诀是什么?06-28 SHINE
专为汽车制造商打造的柔性解决方案——实现制程控制06-28
西北工业大学-脑立体定位仪安装完成06-28 迈越生物
会议邀请 | 第九届海上检验医师论坛06-28
卓立要闻 | 创新发展ing…6月卓立“大事小情”速览06-28 光电行业都会关注
打造信任合作伙伴!2024年度卓立汉光客户满意度调查开启06-28 光电行业都会关注
如何挑选适用于三阶光学非线性的测量系统?Z扫描测量系统来助力!06-28 光电行业都会关注
招聘启事—中国科学院沈阳自动化研究所微纳光学测量表征技术课题组06-28 光电行业都会关注
谱育科技作为主要完成方 荣获2023年度国家科学技术进步一等奖和二等奖06-28 点击关注→
仪器原理丨顶空仪与吹扫捕集仪科普小知识06-28 天美色谱