温度梯度和材料组分对半导体材料热电转换性能影响机理的研究

论文摘要

热电转换元件是利用半导体Seebeck效应将热能转换为电能的温差发电器的核心部分,其转换效率的高低直接影响着温差发电器的性能。因此,本课题研究了高温阶段和中温阶段材料组分与热电性能的关系,设计了由GeSi材料、PbTe材料和Bi2Te3材料组成的三段温差电元件。实验发现,在掺杂浓度相等的情况下,在200～700K温度范围内,Si含量约为60%（当x=0.64时）的样品热导率较低。而Si浓度60%～80%之间的样品在高温区具有较好的Seebeck系数。研究发现,PbTe材料在粉碎和热压过程中,引入N型杂质O和S。使P型载流子（空穴）浓度下降,而N型载流子（电子）浓度上升。且球磨后的样品具有较高的热电优值。本文对由GeSi材料、PbTe材料和Bi2Te3材料组成的三段温差电元件进行了理论设计,确定了在热面温度1073 K,冷面温度为323 K,元件总长度为20mm时, N型GeSi材料的长度L1n=17.689mm, N型PbTe材料的长度L2n=1.428mm,N型Bi2Te3材料的长度L3n=0.883mm。P型GeSi材料的长度L1p=17.025mm, P型PbTe材料的长度L2p=1.876mm, P型Bi2Te3材料的长度L3p=1.099mm。元件在该温度差下的无量纲优值ZT可达到0.41。热电转换效率可达6.71%。发电效率和可用性是目前国内外新型洁净领域里重点攻关的课题之一。为扩大其应用范围,本文研制了适用于800℃至室温条件下,由GeSi材料、PbTe材料和Bi2Te3材料组成的三段温差电元件,为开发高效率的温差发电器提供了理论和实验基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 研究背景
• §1-2 基本概念
• 1-2-1 热电效应
• 1-2-2 热电性能的表征
• §1-3 温差发电器的工作原理
• §1-4 本文研究的主要内容
• 1-4-1 主要内容
• 1-4-2 本文结构
• 第二章 温差电领域研究和发展概况
• §2-1 温差电材料的发展概况
• 2-1-1 Bi2Te3系列
• 2-1-2 Pb-Te 系列
• 2-1-3 Si-Ge系列
• §2-2 温差发电器的研发概况
• 第三章 实验装置
• §3-1 热电测试系统
• 3-1-1 数据采集处理单元
• 3-1-2 热电性能测试平台
• §3-2 电阻率测试仪
• 第四章 SiGe 合金热电参数的测试
• §4-1 实验过程
• 4-1-1 试样制备
• 4-1-2 测试
• §4-2 结果和讨论
• 4-2-1 样品
• 4-2-2 热导率
• 4-2-3 电导率
• 4-2-4 Seebeck 系数
• 4-2-5 热电优值
• §4-3 小结
• 第五章 PbTe 合金制备和热电参数测试
• §5-1 实验装置
• 5-1-1 球磨装置
• 5-1-2 压片机
• §5-2 制备方法
• 5-2-1 PbTe 合金的制备
• 5-2-2 球磨
• 5-2-3 压片
• §5-3 PbTe 合金的热电性能
• 5-3-1 Seebeck 系数与电导率
• 5-3-2 热导率
• 5-3-3 热电优值
• §5-4 小结
• 第六章 半导体分段温差电元件的理论设计
• §6-1 设计基础
• §6-2 实验方法
• §6-3 结果及分析
• §6-4 计算与设计
• §6-5 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果