关于热电材料的检索

题目：关于热电材料的检索

班级：080212 学号：08021228 姓名：余建

一、研究小组简介：

随着能源的日益紧张以及环境污染的日趋严重，热电材料作为一种新型材料能源转换材料倍受人们的关注、重视。我国在热电材料的研究上相对落后，国内这方面的研究主要集中在几个大学：清华大学、浙江大学、武汉工业大学、厦门大学等，而且主要集中是在理论研究上。

清华大学材料科学与工程系教授李敬锋博士一直从事热电材料及其微型器件技术的研究。清华大学的刘静对碲化铋热电材料的制备及其微成型技术进行的研究。

浙江大学赵新兵、曹一琦、朱铁军对纳米结构Bi2Te3基热电材料的溶剂热合成方面进行了研究。浙江大学材料科学与工程系李红星、赵新兵、李伟文对新型热电材料研究进展方面有研究。

武汉理工大学材料学科教授唐新峰博士长期从事高性能热电材料及其应用研究。唐新峰教授指导的博士研究生谢文杰与美国克莱姆森大学Terry Tritt教授合作，开发了一种新颖的快速制备高性能纳米(Bi,Sb)2Te3化合物的新方法。

中国科学院上海硅酸盐研究所史迅副研究员跟随导师陈立东研究员从事热电材料的研究。

武汉工业大学蔡克峰、南策文、阂新民对碳化硼热电材料研究进展进行了研究。

厦门大学物理系陈金灿、严子浚在热电器件中的汤姆孙热方面有很大研究。

昆明理工大学张鹏翔、张国勇、Habermeier Hanns-ulrich 对新型热电材料及其新应用方面有研究。

中国矿业大学的颜艳明、应鹏展、张晓军、崔鑫对提高热电材料热电性能的方法及热电材料在温差发电和制冷方面进行了研究。

中科院物理研究所的骆军副研究员对热电材料PbTe-AgSbTe2的生长和结构进行了研究。

西北大学王永瑜在半导体致冷材料—碲化物、硒化物及其固熔体的制备与其热电性质方面进行了初步研究。

华东师范大学物理学系理论物理研究所的柯学志博士与美国内华达大学拉斯维加斯分校物理系的陈长风教授，美国通用汽车公司的杨继辉博士和美国Brookhaven国家实验室的实验小组进行合作，利用第一原理的量子力学方法并结合高分辨率的透射电镜仔细地研究了AgSbTe2的生长机制及其原子结构，得到了一些有意义的结果。

美国密歇根大学的Mercouri G Kanatzidis 利用了原位析出法,有效的将纳米颗粒引入到热电材料中, 获得了最高Z T值可达2.2 (温度800 K) 的AgPb

2 + m

日本国家功能材料研究中心（SMRC）以MasanobuMarlo博士为首的科研人员正在研究利用汽车尾气作为热源的TEG技术。

英国威尔士大学和日本大阪大学于1991年联合研究了大规模利用钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热产生兆瓦级输出电功率的项目。

德国Dresden科技大学以Wemirl Qu为首的研究工作者发明了一种利用铜箔作为介质的微型热电发电机，能够循环使用将周围环境的热能转化为出能。

二、研究内容概括：

热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。

较好的热电材料必须具有较高的Seebeck系数，从而保证有较明显的热电效应，同时应有低的热导率，使能量能保持在接头附近。另外还要求热阻率较小，使产生的焦耳热量小。目前限制热电材料得以大规模应用的问题是其热电转换效率太低。热电材料的热电转换效率可用无量纲热电优值—ZT值来表征，ZT=

S2Tσ/λ, ZT越大, 热电材料的性能越好，这里的T为绝对温度，Z=S2σ/λ，式中S为材料的热电系数，即材料的Seebeck系数，σ为材料的电导率，S2σ

又称为材料的功率因子，它决定了材料的电学性能。由Z的表达式可以看出，要提高材料的热电转换效率，应选用同时具有较大功率因子和尽可能低热导率的热电材料。影响热电材料的优值Z的3个参数Seebeck系数、热导率、电导率都是温度的函数。同时优值Z又敏感地依赖于材料种类、组分、掺杂水平和结构。因此每种热电材料都有各自的适宜工作温度范围。

1半导体金属合金型热电材料

金属材料的热电效应非常小,除在测温方面的应用外,其他没有实际的应用价值。直到20世纪50年代,人们发现小带隙(small band gap)掺杂半导体比金属大很多热电效应,研制温差电源和热电制冷器已具有现实意义。这类材料以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族及稀土元素为主。目前,研究较为成熟并且已经应用于热电设备中的

材料主要是金属化合物及其固溶体合金如Bi

2Te

/Sb

、PbTe、SiGe、CrSi等,

这些材料都可以通过掺杂分别制成P型和n型材料。有报道称在实验室得到的最

高ZT值达到2.2 (AgPb

m SbTe

2+m

, 800K) 到2.4(Bi

/Sb

超晶格, 300K)。通

过调整成分、掺杂和改进制备方法可以进一步提高这些材料的ZT,通过化学气相

沉积（ CVD ）过程得到综合两维Sb

2Te

/Bi

超晶格薄膜的ZT高达2.5，ZT的

研究还在继续进行。但是这些热电材料存在制备条件要求较高,需在一定的气体保护下进行,不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点[1]。

2方钴矿(Skutterudite)热电材料

Skutterudide是CoSb

3的矿物名称，名称为方钴矿，是一类通式为AB

的化

合物（其中A是金属元素，如Ir、Co、Rh、Fe等；B是V族元素，如As、Sb、P 等）。二元Skutterudite化合物是窄带隙半导体，其带隙仅为几百毫电子伏，同时此类化合物具有较高的载流子迁移率和中等大小的反Seebeek系数，但热导率比传统的热电材料要高.此类化合物的显著特点是，外来小原子可以插入晶体结构的孔隙，在平衡位置附近振动，从而可以有效地散射热声子，大大降低晶格

热导率。最初的研究集中在等结的IrSb

3, RhSb

和CoSb

等二元合金,其中CoSb

的热性能相比较而言最好。尽管二元合金有良好的电性能,但其热电数据受到热

导率的限制。因此对多元合金的研究得到了重视，实验得到P型CeFe

3.5Co

0.5

方钴矿化合物ZT值在620K时达到1.4。目前进一步提高Skutterudite材料热电性能的途径有两条：（l）通过各种拾杂调节电学性能，（2）引入额外的声子散射降低晶格热导率[2]。

3金属硅化物型热电材料

金属硅化物是指元素周期表中过渡元素与硅形成的化合物,如

FeSi

2,MnSi

,CrSi

等。由于这类材料的熔点很高,因此很适合于温差发电应用。

对于上述几类硅化物,人们研究较多的是具有半导体特征的β-FeSi

,它具有高

抗氧化性、无毒、价格低廉等优点。此外,通过向β-FeSi

中掺入不同杂质,可

制成P型或N型半导体,是适合于在200

—

900℃温度范围内工作的热电材料。但

由于传统的FeSi

无量纲优值ZT较低,人们寻找新的硅化物取代它，Jun- ichi

Tani制得的Mg

2Si

0.9

0.1

其ZT在864K时达到0.68，另一种较有前景的是高硅化

物HMS,这实际上是一种由四个相,即Mn

11Si

,Mn

和Mn

组成的非

均匀硅化锰材料。高硅化物的温差热电优值具有各向异性的特征,目前实验得到的无量纲优值已与SiGe合金相当（SiGe合金的热电优值在1000K时可以达到1.009），具有广泛地应用前景[3]。

4氧化物型热电材料

氧化物型热电材料的特点是可以在氧化气氛里高温下长期工作,大多数无毒性、无环境污染,且制备简单,制样时在空气中可直接烧结,无需抽真空,成本费用低,因而备受人们的关注。目前研究发现，层状过渡金属氧化物是一种很有前途

的热电材料,其典型代表为NaCo

化合物。NaCo

化合物具有层状结构，在温下,

NaCo

具有较高的热电势,低的电阻率和低的晶格热导率。NaCoO

的ZT值在900K

时达到0.72.尽管NaCo

具有良好的热电性能,但温度超过1073K时,由于Na的

挥发限制了该材料的应用, 这加速了其它层状结构的过渡金属氧化物作为热电材料的研究,例如,具有简单立方结构的三维过渡金属氧化物NiO也可作为很好的热电材料,掺杂Na和Li的NiO在1260K的高温具有很高的热电性能[4]。

5准晶材料

准晶材料由于具有非常低的热导率，类似于玻璃，因此在热电材料领域具有相当大的吸引力。同时由于它的Seebeck系数较低，热电优值也相对较低，如果能找到合适的方法来明显增大Seebeek系数也可望获得较高的热电优值。准晶材料具有5重对称性，这是晶体和非晶体都不允许存在的特性，它的费米表面具有大量的小缺口，可利用温度变化式缺陷破坏这些小缺口，进而改变费米面的形状，从而达到提高Seebeck系数的效果。通过掺杂第四种元素，Seebeck系数也有所改观。另外准晶材料具有不寻常的宽温度带适应性，这种适应性与声子辅助跃迁传导有关，并使Seebeek系数和电导率随温度升高而增大，而热导率则随温度升高而平级增加，结果使温差电优值显著增加。

此外，准晶材料还具有一些优良的物理性能，如耐腐蚀、抗氧化、高硬度，较强的热稳定性和很好的发光特性等。准晶材料可望发展成一类很有前途的新型热电材料[5]。

6功能梯度材料(FGM)

功能梯度热电材料有两种。一种是载流子浓度梯度热电材料；另一种是叠层梯度热电材料。在不同的温度下，热电材料具有不同的最佳载流子浓度值，利用热电材料适用的温度范围内，适当控制载流子浓度，使其沿材料连续变化，以保证整体材料在相应的温度区间都有最佳的载流子浓度，这样就能充分利用材料使用环境的热能源，在较宽的温度范围内得到较高的热电性能指数，从而提高材料在其适用温度区域内的转换效率。利用梯度化技术，可以将不同热电材料制备成功能梯度材料(FGM)，即把适用于不同温度区域的热电材料通过复合成梯度材料，使单一材料在各自对应的温度区域内都保持最高的热电转换效率，从而充分发挥不同材料的作用，进一步拓宽了热电材料的适用温度区域，可以得到更高的热电转换效率。Okano.K 等人曾做过SiC-Si 功能梯度材料方面的研究[21],发现在室温下梯度化的高密度SiC 陶瓷其最优值比非梯度化的SiC 陶瓷最优值高108倍。

梯度热电材料的每层之间只有真正实现连续过渡，才能消除梯度层之间的界面，对于分段的FGM，各个单体材料一般通过插人过渡层的方法来避免或减少因结合界面的存在引起的电导率下降及热导率升高等问题，因此发展材料的制备技术是研制梯度热电材料的关键[6]。

7低维热电材料

包括超晶格热电材料，纳米线和纳米管热电材料，纳米复合热电材料。理论研究及实验结果都表明，降低材料维数可以提高热电材料的ZT值。近年来热电工作者对热电薄膜作了很多研究,量子阱、量子点超晶格结构的热电优值可以达到2. 4以上。原因在于降低维数:(1)提高了费米能级附近的态密度，从而提高了Seebeck系数;(2)由于量子约束、调制掺杂和古掺杂效应，提高了载流子的迁移率;(3)更好地利用多能谷半导体费米面的各向异性;(4)增加了势阱壁表面声子的边界散射，降低了晶格热导率[7].

8 Ca3Co2O6 系热电材料的制备及其性能研究

采用溶胶凝胶法制备了C a 3C o2O 6粉末.在常压烧结的情况下，通过调节烧成温度,保温时间以及利用元素掺杂来改善材料的热电性能，并用X射线衍射仪和SEM 对其进行分析.试验结果表明：合理的元素掺杂有利于材料的热电性能的

提高；要严格控制C a3 C o2O 6晶体的大小，烧成温度在9 00 K左右热电性能

较好。[8]

9 掺杂对CuAlO2晶体结构影响研究

采用溶胶一凝胶法制备CuA10。热电材料，研究其合成的烧结温度，并研究了用Sr 、Ba 离子掺杂对其结构的影响。研究发现：制备CuAIO2的烧结温度为1 000℃，在CuAIO。中分别掺杂Ba 、Sr ，分别在1 000℃和1 200℃煅烧2 h，均没有得到单相的CuA1Oz。无论是在Al O。一MgO—SiO。三元体系，还是在Al。O。一CaO—MgO—SiO 四元体系，氧化镧的加入，均可大幅度提高氧化铝陶瓷基板的抗折强度，明显降低抗折强度的分散性。氧化镧的加入，可以促进烧结，提高材料的体积密度。而且对氧化铝陶瓷基板的介电常数、介质损耗、体积电阻率及击穿强度影响不大。[9]

10 超晶格热电材料研究

1993 年,Hicks 和Dresselhaus认为使用超晶格可获得高的热电优值。当形成超晶格两种材料的带隙不同时,能把载流子限制在势阱中,形成超晶格量子阱,产

生不同于常规半导体的输运特性[10] 。Harman 等人认为,要使超晶格热电材料具有良好的热电性能,其势垒层材料应具有以下特性: (1) 同量子阱材料的晶格参数和热膨胀系数有较好匹配; (2) 带隙宽和势垒厚度足够大,以便能够把导电电子限制在势阱中; (3) 不会引起阱材料的载流子迁移率或热电动势率的减少; (4) 有低的晶格热导率[11]。Venkatasubramanian 等人用MOCVD 法生长出了Bi2

Te3/Sb2 Te3 超晶格并对其热电性能进行了测量[12]。发现电阻率相同时,Bi2

Te3/ Sb2 Te3 的霍尔迁移率要比(Bi0. 5 Sb0. 5 ) 2 Te3 合金大,可见超晶格能避免或减少载流子的合金散射。晶格周期在3nm(即单胞尺寸) 左右时,迁移率有很大下降,而塞贝克系数随晶格周期的减少处于增大。在1～10nm 范围,随着晶格周期减少,其热导率下降,当达到单胞尺寸的阱宽时,其热导率达到最小值[13]。

11 低温下半导体热电材料

为了对液化天然气(LNG)的冷能回收利用，对半导体热电材料在低温下的发电性能进行了实验研究，得到了这种热电材料的发电性能随冷端温度变化的关

系，并发现在热端温度不变的情况下，冷端温度在特定温度下热电堆的输出电动势达到最大值[14]。

图2所示的是半导体热电材料的输出电动势与冷端温度的关系曲线。文献[15]对(Bi，Te，Se)半导体材料进行了深入的研究，其结果表明：当温度为250K左右时，塞贝克系数达到最大值。而图2中输出电动势的最大值也出现在平均温度约为245K的时候，这与文献的结果基本吻合。随着冷端温度的降低，塞贝克系数减小，但是温差还在增大，这就造成输出电动势只能以较小的幅度减小，在图中表现为后半段曲线的斜率明显要小于前半段的。从图2中还可以看出，当材料的冷端温度相同时，热端温度越高，输出电动势也越大。半导体材料的热电性能一般用优值系数Z来描述：

12 纳米结构Bi2Te3基热电材料

含纳米结构Bi2Te3的Bi2Te3基同质纳米复合结构热电材料, 其热电优值ZT 达到1.25, 远高于基体材料, 也超过目前的块状先进Bi2Te3基热电材料。对于热电材料的应用, Bi2Te3纳米管具有以下特点:首先, 作为已知分子量最大的稳定二元化合物,Bi2Te3本身就是性能优良的热电材料其次, 纳米管的中空、低维结构和纳米尺度管壁的热阻塞效应、声子散射效应和量子效应将有助于优化材料的输运特性, 提高材料的热电性能同时, 这种空心管状结构中还可能填充一些其它物质从而产生新的物理效应用热压方法制备的Bi2Te3基热电材料具有更高的力学性能和加工性能[16], 但是与定向凝固区熔材料相比, 热压材料的晶体取向优势被削弱, 热电性能通常有所下降，作者所在实验室在合成出的Bi2Te3纳米管的基础上, 将含有纳米管的化学合成Bi2Te3纳米粉末掺入到微米级的商业

Bi2Te3基合金中, 用热压方法制备了含Bi2Te3纳米管的Bi2Te3及基块状热电材料这种复合材料中包含的纳米相具有与基体材料相同或相似的化学组成, 所以称其为“同质纳米复合结构”[17]。

13 热电器件中的汤姆孙热

应用非平衡态热力学理论, 求出热电器件吸热和放热端与热源文换的热流。

进而讨论汤姆孙热对电器件性能的影响。表明在热电器件中常被忽视的汤姆孙热是不容忽视的。从热电器件的基本微分方程出发, 而把汤姆孙热视为与器件中其它热效应相互独立, 即直接应用如下方程：

讨论发电器的性能。分析了器件中汤姆孙热与其它热效应的相互影响, 并在一种有趣的情况下作了较详细的讨论。发现考虑器件中的汤姆孙热时, 必须同时考虑由器件中的热阻和电阻所导致的附加汤姆孙热, 否则将难于获得正确的结果。这表明汤姆孙效应对热电器件性能的影响有新特点, 很值得我们重视和深入研究[18]。

14 碳化硼热电材料研究

碳化硼的热电性能就碳化硼的电导率、热导率(K)、Secbeck系数(S)及热电品质因子(Z)与其碳含量及温度的关系作一评述。

B4C的电导率虽然也随温度升高而增长, 但比富硼碳化硼的电导率要小;而多数文献报道的用热压烧结制得的碳化硼试样的电导率与含, 量没有单调关系, 其电导率随,C含量的降低而增大, 当C含量在13.3at%附近达到极值, 然后随,C含量增大而下降[19]。B4C的热导率较大且随温度升高很快下降, 富B碳化硼的热导率较小且随温度的升高几乎不变, 表现出类似玻璃的热导特性。碳化硼的S随含C 量降低而增大并与温度呈线性关系, 并可表示为:S=A+BT。碳化硼热电品质因子Z 均随着温度升高而增大。由于测试涉及高温, 电导率测试很难设计用四探针法, 所以消除接触电阻又是一个难题。因此, 要制备出性能优越的碳化硼高温热电材料, 还有很多工作等待我们去做[20]。

15 新型热电材料研究

热电材料由于在清洁能源、光电子探测等诸多方面有巨大的应用前景，因而受到科学上和技术上的广泛关注．最新的理论进展和若干新材料的发现，为人们提供了新的应用机会[21]。新型热电材料研究进展有（1）笼式化合物：是由IV 族元素形成的典型的PGEC材料, 通式为AxByC45-y,B和C原子构成类富勒烯的笼式框架, A原子位于笼中。(2)超晶格热电材料:由两种或两种以上不同材料薄层周期性交替生长而形成的材料结构。当两种材料的带隙不同时, 这种结构能把载流子限制在势阱中, 从而形成超晶格量子阱它具有超周期性和量子限制效应, 其有效能隙可调[22]。近年来, 随着新理论、新方法的出现, 新型热电材料的研究取得了更多的进展。其它新型热电材料有：

（1）准晶材料:准晶材料由于具有非常低的热导率, 受到了一定的重视,但同时它的Scebeck系数较低, 热电优值也相对较低。如果能找到合适的方法, 使其Scebeck系数显著增大, 也可望获得高的热电优值。

(2)热电材料薄膜:热电材料薄膜是通过减少材料的纬数来提高其ZT值的。其原理和超晶格热电材料类似, 是由于量子结构使材料的性质发生了一系列变化。具有量子结构的薄膜材料的ZT值大于体材料, 但在测定其性质方面却要比体材料困难得多, 尤其是热导率和Scebeck系数的测定。所以这方面仍有待进一步研究。

（3）其它具有良好前景的热电材料Badding等研究了压力调制对Kando绝缘体NdxCe3、Pt3Sb4热电性能的影响, 发现在高压下(~2GPa)其热电优值为1.2.约是原来的10倍。这表明用化学调制对基体材料优化掺杂从而在常压下达到相同的

效果是可能的。电子间存在强烈相互作用的系统也很有吸引力, 如“重费米子”半导体, “重费米子”反映这种材料的独特电子性质。由于该材料能带的形成与稀土元素的f轨道有关, 所以载流子的有效质量比普通半导体大许多倍, 导致Scebeck系数的显著提高。目前已经有一些“重费米子”半导体热电性能的研究, 表明了其热电应用的潜力。此外, 稀土金属硫属化合物、过渡金属锑化物、复合和梯度热电材料及填充式Bi2Te3基热电材料都是很有前景的热电材料, 有关它们的研究也正在不断深入[23]。

三、总结与展望：

1.总结

热电材料的三个效应：（1）Seeback效应两种不同金属接触时会产生接触电位差、形成回路时，两个接头的温度不同，是因为两个接头的接触电位不同。（2）Peltier效应两个金属通过两个接头连成回路，并通以电流，会使得一头发冷一头发发热。（3）Thomson效应基于前两个效应，必须考虑单根金属线由于其两端温度差而产生的电动势。

热电材料在器件方面的应用研究较多的是热电发电机（TEG）和温差制冷机。在军事、医用物理等方面都有应用。对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素供热的热电发电器是目前唯一的供电系统。已被成功的应用于美国宇航局发射的“旅行者一号”和“伽利略火星探测器”等宇航器上。利用自然界温差和工业废热均可用于热电发电，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的综合社会效益。

热电材料具有的优点：1）体积小,重量轻，坚固,且工作中无噪音;（2）温度控制可在±0.1℃之内;（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染;（4）可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。因此，热电材料是一种有着广泛应用前景的材料，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。

2.展望

热电材料塞贝克效应和帕尔帖效应发现距今已有100余年的历史，无数的科学家已对其进行了深入而富有成效的研究和探索，取得了辉煌的成果。随着研究的不断深入，相信热电材料的性能将会进一步提高，必将成为我国新材料研究领域的一个新的热点。在今后的热电材料研究工作中，研究重点应集中在以下几个方面：

（1）利用传统半导体能带理论和现代量子理论，对具有不同晶体结构的材料进行塞贝克系数、电导率和热导率的计算，以求在更大范围内寻找热电优值ZT 更高的新型热电材料。

（2）从理论和实验上研究材料的显微结构、制备工艺等对其热电性能的影响，特别是对超晶格热电材料、纳米热电材料和热电材料薄膜的研究，以进一步提高材料的热电性能。

（3）对己发现的高性能材料进行理论和实验研究，使其达到稳定的高热电性能。

（4）加强器件的制备工艺研究，以实现热电材料的产业化。

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23.Recent Development in New Thermoelectric Materials(Department of Materials Science And Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027)

国家电网未来发展趋势

国家电网未来发展趋势王亮201711131076 上周四有幸听了席老师的讲座，感触颇深，席老师为我们讲述了国家电网的发展历史，公司内部的组成，以及现在的技术动态。我觉得既然是学生，我们离毕业还有两年，我们更应该关注国家电网未来的发展趋势，只有这样，我们才能领先别人，赢在起跑线上。伴随着中国电力发展步伐不断加快，中国电网也得到迅速发展。电网系统运行电压等级不断提高，网络规模也不断扩大。全国已经形成了东北电网、华北电网、华中电网、华东电网、西北电网和南方电网6个跨省的大型区域电网，并基本形成了完整的长距离输电电网网架。广义的电网是发电设备、输配电设备和用电设备采用一定的结构和运行模式构建起来的统一整体。因此，自从有了发电机及其相应的供电系统，便有了电网。1882年，爱迪生公司在纽约建成世界上第一座正规的直流电站和相应的供电系统，可以认为是人类首个真正意义上的电网。然而，由于当时不能为直流电升压，输电距离和输电容量受到极大的限制，于是，特斯拉于1887年发明了交流发电机和多相交流输电技术。1897年，美国西屋公司在尼亚加拉水电站的首台交流发电机投入运行并为35公里外的水牛城供电，从此确立了现代电网的基础。 2015年3月，《关于进一步深化电力体制改革的若干意见》出台，在发电侧和售电侧开放市场引入竞争，价格由市场形成，同时管住中间的输配电网环节，电网公司一家垄断局面将被打破。目前电网建设已成为我国电力建设的主要方向，电网建设前景诱人。“十三五”期间，我国电网投资规模持续扩张，到2020年将全面建成统一的坚强智能电网，初步实现建设世界一流电网的目标。展望未来，我们认为，未来电网将呈现以下重要发展趋势：第一，可再生能源将成为电网中的主要一次能源来源。人类已经认识到化石能源是不可持续的能源，有必要大力发展可再生能源来替代之。这是因为：（1）核能在本世纪中叶前难以成为主导能源。核裂变能的原料也属于有限资源，且其利用存在安全风险，核废料处理也比较复杂。由于核裂变能的利用还涉及到国际安全环境，当前的核裂变能技术出口是受到国际有关条约严格控制的。尽管核聚变能可满足人类长期发展需求，但其应用前景尚不明朗，ITER（国际热核聚变堆）计划到本世纪中叶才能建成首个示范电站。（2）可再生能源是可持续发展的绿色能源，且可开采量足够人类使用。据统计分析，地球上接收的太阳能是人类目前能源需求总量的10000倍。地球上的风能总量也达到了目前人类能源需求总量的5倍，如果再算上水力资源、生物质能源、地热能、海洋能，则可再生能源的总量更大。由此可见，可再生能源发展潜力巨大。（3）可再生能源目前已经得到很大的发展。随着技术不断进步，可再生能源发电的单位成本呈逐年下降趋势。根据欧洲、美国和日本等发达国家和地区的预计，到2020年，光伏发电基本上可以实现平价上网。（4）国际已经有共识认为，可再生能源今后仍然会快速发展，且将逐渐成为主导能源。例如，2012年，国际能源署（IEA）发布的《2012年世界能源展望》，对2035年前的全球能源趋势作出了预测：到2015年，可再生能源将成为全球第二大电力来源，并在2035年接近第一大电力来源——煤炭的发

2016-2022年中国热电材料行业市场行情动态研究报告

2016-2022年中国热电材料行业市场行情动态研究报告 https://www.360docs.net/doc/a215146435.html,

什么是行业研究报告行业研究是通过深入研究某一行业发展动态、规模结构、竞争格局以及综合经济信息等，为企业自身发展或行业投资者等相关客户提供重要的参考依据。企业通常通过自身的营销网络了解到所在行业的微观市场，但微观市场中的假象经常误导管理者对行业发展全局的判断和把握。一个全面竞争的时代，不但要了解自己现状，还要了解对手动向，更需要将整个行业系统的运行规律了然于胸。行业研究报告的构成一般来说，行业研究报告的核心内容包括以下五方面：

行业研究的目的及主要任务行业研究是进行资源整合的前提和基础。对企业而言，发展战略的制定通常由三部分构成：外部的行业研究、内部的企业资源评估以及基于两者之上的战略制定和设计。行业与企业之间的关系是面和点的关系，行业的规模和发展趋势决定了企业的成长空间；企业的发展永远必须遵循行业的经营特征和规律。行业研究的主要任务：解释行业本身所处的发展阶段及其在国民经济中的地位分析影响行业的各种因素以及判断对行业影响的力度预测并引导行业的未来发展趋势判断行业投资价值揭示行业投资风险为投资者提供依据

2016-2022年中国热电材料行业市场行情动态及投资战略咨询报告【出版日期】2016年【交付方式】Email电子版/特快专递【价格】纸介版：7000元电子版：7200元纸介+电子：7500元【报告编号】R434584 【报告链接】https://www.360docs.net/doc/a215146435.html,/research/201608/434584.html 报告目录：热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素供热的热电发电器是唯一的供电系统。已被成功的应用于美国宇航局发射的“旅行者一号”和“伽利略火星探测器”等宇航器上。利用自然界温差和工业废热均可用于热电发电，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的综合

电热材料和热电材料的研究现状与发展

专业：金属材料工程学号：1040602209姓名：郝小虎电热材料和热电材料的研究现状与发展一热电材料的研究现状与发展１传统热电材料的研究现状从实用的角度来看，只有那些无量纲优值接近１的材料才被视为热电材料。目前已被广泛应用的主要有３种：适用于普冷温区制冷的ＢｉｚＴｅａ类材料，适用于中温区温差发电的ＰｂＴｅ类材料，适用于高温区温差发电的ＳｉＧｅ合金。 1.1Ｂｉ－Ｔｅ系列ＢｉＺＴｅａ化学稳定性较好，是目前ＺＴ值最高的半导体热电体材料。一般而言，Ｐｂ，Ｃｄ，Ｓｎ等杂质的掺杂可形成Ｐ型材料，而过剩的Ｔｅ或掺人Ｉ，Ｂｒ，Ａｌ，Ｓｅ，Ｌｉ等元素以及卤化物掩Ｉ，ＣｕＩ，ＣｕＢｒ，ＢｉＩ３，ＳｂＩ３则使材料成为ｎ型。在室温下，Ｐ型ＢｉｚＴｅａ晶体的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数。最大值约为２６０ｐＶ／Ｋ，ｎ型ＢｉｔＴｅａ晶体的ａ值随电导率的增加而降低，并达到极小值－２７０ｔ，Ｖ／Ｋ１６１，Ｂｉ２Ｔｅ。材料具有多能谷结构，通常情况下，其能带形状随温度变化很小，但当载流子浓度很高时，等能面的形状将随载流子的浓度而发生变化。室温下它的禁带宽度为0.13ｅＶ，并随温度的升高而减少。 1.2Ｐ１ｒＴｅ系列ＰｂＴｅ的化学键属于金属键类型，具有ＮａＣｌ型晶体结构，属面心立方点阵，其熔点较高（１０９５Ｋ），禁带宽度较大（约０．３ｅＶ），是化学稳定性较好的大分子量化合物。通常被用作３００－９００Ｋ范围内的温差发电材料，其Ｓｅｅｂｅｃｋ系数的最大值处于６００－８００Ｋ范围内。ＰｂＴｅ材料的热电优值的极大值随掺杂浓度的增高向高温区偏移。ＰｂＴｅ的固溶体合金，如ＰｂＴｅ和ＰｂＳｅ形成的固溶体合金使热电性能有很大提高，这可能是由于合金中的晶格存在短程无序，增加了短波声子的散射，使晶格热导率明显下降，故使其低温区的优值增加。但在高温区，其ＺＴ值没有得到很好的提高，这是由于形成ＰｂＴｅ－ＰｂＳｅ合金后，材料的禁带明显变窄，导致少数载流子的影响增加，结果没能引起高温区ＺＴ值的提高［７１。 1.3Ｓｉ－Ｇｅ系列ＳｉＧｅ合金的ａ值在Ｓｉｏ．ｉｓＧｅｏ．ａｓ达到极大值，其原因是在该组分处合金系统中的状态密度和有效质量达到极大值。但实际常用Ｓｉ含量高的合金来得到较高的优值，Ｓｉ含量高有以下好处：降低了晶格热导率；增加了掺杂原子的固溶度；使ＳｉＧｅ合金有较大的禁带宽度和较高的熔点，适合于高温下工作；比重小，抗氧化性好，适应于空间应用；同时降低了造价。ＳｉＧｅ合金是目前较为成熟的一种高温热电材料，适用于制造由放射线同位素供

材料的热电性能

材料的热电性能热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料。它的产生于材料的热电性能密不可分，材料的热电性能可以总结为塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆孙效应。塞贝克效应热电现象最早在1823年由德国人Seebeck发现。当两种不同导体构成闭合回路时，如果两个节点处电温度不同，则在两个节点之间将会产生电动势，且在回路中有电流通过，该现象被叫图 1 塞贝克效应示意图做Seebeck效应，此回路称为热电回路，回路中出现的电流称为热电流，回路中出现的电动势称为塞贝克电动势。塞贝克系数可表示为：式中，V表示电动势；T表示温度，S的大小和符号取决于两种材料和两个结点的温度。当载流子是电子时，冷端为负，S是负值；如果空穴是主要载流子类型，那么热端是负，S是正值。帕尔贴效应 1834年，法国钟表匠Pletier发现了 Seebeck效应的逆效应，即电流通过两个不同导体形成的接点时接点处会发生放热或吸热现象，称为帕尔贴效应。帕尔贴系数可表示为： P表示单位时间接头处所吸收的帕尔贴热； I表示外加电源所提供的电流强度。汤姆孙效应当电流通过具有一定温度梯度的导体时，会有一横向热流流入或流出导体，其方向视电流方向和温度梯度的方向而定。在实际应用中，以无量纲的ZT值来衡量材料的热电性能：式中，σ为电导率；k为热导率；S是塞贝克系数；T为温度。 σS2又被称作功率因子，用于表征热电材料的电学性能。从上式可以得出，提高热电材料的能量转换效率可以通过增大其功率因子或降低其热导率来实现，但这3个参数并非独立的，它们

取决于材料的电子结构和载流子的散射情况。为了提高塞贝克系数，材料中应该只有单一类型的载流子，n型和p型载流子同时存在会导致两种载流子都向冷端移动，从而降低塞贝克电压。低的载流子浓度会增大塞贝克系数，塞贝克系数公式如下： n为载流子浓度，m为载流子有效质量。大的载流子有效质量会提高塞贝克系数，但是会降低电导率。m和态密度有关，载流子的有效质量会随着费米能及附近的态密度增加而增加。然而，载流子的有效质量越大，在同样作用力下，载流子的漂移速率就越慢，从而使迁移率减小，电导率降低。功率因子降低。因此需要寻求一合适载流子浓度n来提高功率因子。热电材料金属及其合金的塞贝克系数较小且热导率较高，因此相应的ZT值不高。前苏联科学家Loffe 在20世纪50年代提出了带隙半导体热电理论，同时发现了一系列半导体材料具有较大的塞贝克系数。如Bi-Te，Pb-Te，Si-Ge等合金类经典热电材料，它们的最佳工作区间分别是300~500K，500~900K，900~1200K。通过对以上材料的研究，热电现象的微观机理逐渐被解释，即高温端的高能电子向低温端扩散，使低温端电子堆积带负电，高温端逐渐缺少电子带正电，在高温端形成较高的电势，在物体内建立由高温端指向低温端的电场。当电子热扩散力和电场力相等时，两端间形成一稳定的温差电位，因两种材料不同，在各种材料中建立的电场以及热扩散力不同，因此产生的电势差不同，电位差不会完全抵消，因此在闭合回路中产生电动势。热电材料的主要应用利用热电效应主要可以制作温差发电机和热电制冷。温差发电原理将P型半导体和N型半导体在热端连接，则在冷端可得到一个电压，一个PN结产生的电动势有限，将很多个这样的PN结串联起来就可得到足够的电压，成为一个温差发电机，由于温差发电的效率很低，一般不超过4%，但是温差发电可以图 2温差发电机示意图

热电材料研究的进展

Abstract: This paper is described the types of thermoelectric materials and every thermoelectric materials’ZT value,the way to improve the thermoelectric materials’performance of thermal power and the application of thermoelectric materials’on thermal power generation and refrigeration, also give its future development prospects. Key words: Thermoelectric materials; Thermal conductivity; Carrier 1、引言在以石油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。于是,从上个世纪九十年代以来, 能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。尤其是近几年, 国际上关于热电材料的研究更是非常火热。目前，热电材料的研究主要集中在三个领域：室温以下的低温领域、从室温到700K的中温领域和700K以上的高温领域。热电材料（又称温差电材料）是利用固体内部载流子和声子的输运及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，其具有无机械可动部分、运行安静、小型轻便及对环境无污染等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。

未来电网的发展趋势

未来电网的发展趋势 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】

未来电网的发展趋势编辑：华英电力经历了100多年的发展，电网的规模和结构形态发生了很大的变化，即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网，进而发展到今天的跨区互联大电网。如今，电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源，成为现代能源体系的重要组成部分，电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。未来电网将呈现以下重要发展趋势：第一，可再生能源将成为电网中的主要一次能源来源。第二，电网的结构和运行模式将发生重大变化。第三，新材料技术将在电网中得到广泛地应用。第四，物理电网将与信息系统高度融合。广义的电网是发电设备、输配电设备和用电设备采用一定的结构和运行模式构建起来的统一整体。因此，自从有了发电机及其相应的供电系统，便有了电网。1882年，爱迪生公司在纽约建成世界上第一座正规的直流电站和相应的供电系统，可以认为是人类首个真正意义上的电网。然而，由于当时不能为直流电升压，输电距离和输电容量受到极大的限制，于是，特斯拉于1887年发明了交流发电机和多相交流输电技术。1897年，美国西屋公司在尼亚加拉水电站的首台交流发电机投入运行并为35公里外的水牛城供电，从此确立了现代电网的基础。经历了100多年的发展，电网的基本形态没有根本性的变化，即电网以铜、铝等为基本导电材料、以传统电力设备为基础、以可调度能源（如化石能源、水力和核能等）作为电力的主要一次能源来源、以交流为运行模式的基本形态。然而，电网的规模和结构形态发生了很大的变化，即从最初的局域小规模电网发展到区域中等规模电网，进而发展到今天的跨区互联大电网。例如，2012年，我国发电总装机容量已经接近12亿千瓦，年总发电量接近5万亿度，我国电网已经基本形成了“西电东送、南北互供、全国联网”的总体格局，已经覆盖了全国大部分地区，成为世界最大的电网之一。如今，电网已经为人类供应了大约四分之一的终端能源，成为现代能源体系的重要组成部分，电力在终端能源消费结构中的比例已经成为一个国家发达程度的标志之一。展望未来，我们认为，未来电网将呈现以下重要发展趋势：第一，可再生能源将成为电网中的主要一次能源来源。人类已经认识到化石能源是不可持续的能源，有必要大力发展可再生能源来替代之。这是因为：（1）核能在本世纪中叶前难以成为主导能源。核裂变能的原料也属于有限资源，且其利用存在安全风险，核废料处理也比较复杂。由于核裂变能的利用还涉及到国际安全环境，当前的核裂变能技术出口是受到国际有关条约严格控制的。尽管核聚变能可满足人类长期发展需求，但其应用前景尚不明朗，ITER （国际热核聚变堆）计划到本世纪中叶才能建成首个示范电站。（2）可再生能源是可持续发展的绿色能源，且可开采量足够人类使用。据统计分析，地球上接收的太阳能是人类目前能源需求总量的10000倍。地球上的风能总量也达到了目前人类能源需求总量的5倍，如果再算上水力资源、生物质能源、地热能、海洋能，则可再生能源的总量更大。由此可见，可再生能源发展潜力巨大。（3）可再生能源目前已经得到很大的发展。随着技术不断进步，可再生能源发电的单位成本呈逐年下降趋势。根据欧洲、美国和日本等发达国家和地区的预计，到2020年，光伏发电基本上可以实现平价上网。（4）国际已经有共识认为，可再生能源今后仍然会快速发展，且将逐渐成为主导能源。例如，

半导体的热电效应及热电材料研究与应用

半导体的热电效应及热电材料研究与应用摘要：据半导体热电效应以及制冷原理进行了分析，并分析了提高半导体热电材料热电优值的方法介绍了当今国内外半导体热电材料研究和热电材料制冷方面的应用。关键词：热电效应；半导体热电材料；塞贝克系数；电导率；热导率；热电优值，半导体制冷；正文: 一．热电效应把热能转换为电能的所谓热电效应的发现已有一个半世纪的历史，这是与温度梯度的存在有关的现象，其中最重要的是温差电现象。但是，由于金属的温差电动势很小，只是在用作测量温度的温差电偶方面得到了应用。半导体出现后，发现它能得到比金属大得多的温差电动势，在热能与电能的转换上，可以有较高的效率，因此，在温差发电、温差致冷方面获得了发展。由于温度梯度及电流同时存在时引起的一些现象——主要是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。（1）塞贝克效应塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi

热电材料的研究进展

综合评述热电材料的研究进展Ξ 沈　强　涂　溶　张联盟 (武汉工业大学材料复合新技术国家实验室430070) 摘　要:本文简要介绍了热电效应的应用状况和热电材料的基本特性,重点评述了热电烧结材料、高ZT值热电材料以及具有梯度结构的热电材料的研究进展。关键词:热电效应,热电材料,品质因子,烧结材料,梯度结构 11引　言热电效应(又称:温差电效应)从宏观上看是电能与热能之间的转换,因此从它被发现以来,人们就不断探求和开发其可能的工业用途。热电偶是其中最为成功的例子,它用于测量温度和辐射能已有一个多世纪的历史。由于金属的热电效应相当微弱,热电偶只是在开路条件下直接探测电压,而不是作为能量转换装置。直到50年代末期,半导体材料获得飞速发展以后,人们发现半导体材料具有很好的热电性能,颇具实用价值,此后对热电转换的研究取得了系列进展。目前,热电发电和热电制冷以它们独特的技术优势,已在许多领域得到了实际应用。 21热电效应的应用状况热电效应是由电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称,它包括相互关联的三个效应:Seebeck效应、Peltier效应和T hom son 效应[1]。 1821年,T.J.Seebeck发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为Seebeck 效应。开路条件下的电动势称为温差电动势,亦称为Seebeck电动势: dV=Αab dT Αab为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由a流向b,则Αab为正,反之为负。其大小取决于接点温度及组成材料。 Peltier效应是C.A.Peltier在1834年发现,并以他的名字命名的。当两种不同导体组成回路的接点有微小电流流过时,一个接点会放热,另一个接点则吸热。而改变电流的方向,放热和吸热的接点也随之改变。在时间dt内,产生的热量与流经的电流成正比: dQ p=Πab I ab dt Πab为Peltier系数,当电流由a流向b,I ab取正,dQ p>0,吸热,反之放热。Πab的大小与接点温度和组成材料有关。 T hom son效应是指当一段存在温度梯度的导体通过电流I时,原有的温度分布将被破坏,为了维持原有的温度分布,导体将吸收或放出热量。T hom son热与电流密度和温度梯度成正比: dQ t=ΣIdt(dT dx) Σ为T hom son系数,符号规则与Peltier效应相同,当电流流向热端,dT dx>0,Σ>0,吸热。以上的Seebeck系数Αab、Peltier系数Πab和T hom son系数Σ,都是表征热电材料性能的重要参量,其相互关系可由Kelvin关系式表述如下:Πab=Αab T Σa-Σb=T(dΑab dT) — 3 2 — Ξ国家自然科学基金资助批准号:59581002

最全的热电效应名词解释

塞贝克效应：1821年，德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势，此所谓“塞贝克效应”。塞贝克后来还对一些金属材料做出了测量，并对35种金属排成一个序列（即Bi-Ni-Co-Pd-U-Cu-Mn-Ti-Hg-Pb-Sn-Cr-Mo-Rb-Ir-Au-Ag-Zn-W-Cd-Fe-As-Sb-T e-……），并指出，当序列中的任意两种金属构成闭合回路时，电流将从排序较前的金属经热接头流向排序较后的金属。1834年，法国实验科学家帕尔帖发现了它的反效应：珀尔帖效应。珀尔帖效应：当有电流通过不同的导体组成的回路时,除产生不可逆的焦耳热外,在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。这是J.C.A.珀耳帖在1834年发现的。如果电流由导体1流向导体2，则在单位时间内,接头处吸收/放出的热量与通过接头处的电流密度成正比。12称为珀耳帖系数[1]，与接头处材料的性质及温度有关。这一效应是可逆的，如果电流方向反过来，吸热便转变成放热。汤姆孙效应：汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆逊利用他所创立的热力学原理对塞贝克效应和帕尔帖效应进行了全面分析，并将本来互不相干的塞贝克系数和帕尔帖系数之间建立了联系。汤姆逊认为，在绝对零度时，帕尔帖系数与塞贝克系数之间存在简单的倍数关系。在此基础上，他又从理论上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。或者反过来，当一根金属棒的两端温度不同时，金属棒两端会形成电势差。这一现象后叫汤姆孙效应（Thomson effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应（thermoelectric effect）。汤姆逊效应是导体两端有温差时产生电势的现象，帕尔帖效应是带电导体的两端产生温差（其中的一端产生热量，另一端吸收热量）的现象，两者结合起来就构成了塞贝克效应。汤姆逊效应的物理学解释是：金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处的自由电子动能大。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此自由电子从温度高端向温度低端扩散，在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属棒两端便形成一个电势差。这种自由电子的扩散作用一直进行到电场力对电子的作用与电子的热扩散平衡为止。（Thomson effect），成为继塞贝克效应和帕尔帖效应之后的第三个热电效应

新型热电材料的研究进展

新型热电材料的研究进展随着能源的日益紧缺以及环境污染的日趋严重，热电材料作为一种环保、清洁的新能源材料近年来备受关注，下面是搜集的一篇探究热电材料研究进展的，供大家阅读参考。本文介绍了热电材料的研究进展，重点介绍了Half-Heusler金属间化合物、方钴矿、纳米技术和超晶格材料等新型热电材料的研究状况。热电材料又称温差电材料，是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。随着新材料合成技术的发展以及用X射线衍射技术和计算机来研究化合物能带结构参数等新技术的出现，使得热电材料的研究日新月异。 1.1 传统热电材料的研究进展 50年代，苏联的Ioffe院士提出了半导体热电理论，Ioffe及其同事从理论和实践上通过利用两种以上的半导体形成固溶体可使ZT 值提高，从而发现了热电性能较高的致冷和发电材料，如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金。

常规半导体的ZT值主要依赖于载流子的有效质量、迁移率和晶格热导率，优良热电材料一般要求大的载流子迁移率和有效质量，低的晶格热导率[1]。根据这些理论原则，发现了上述的一些较好的常规半导体热电材料，如适合室温使用的Bi2Te3合金、适合中温区(700K)使用的PbTe、高温区(1000K)使用的SiGe合金，更高温度(>100K)下使用的SiC等。 1.2 新型热电材料的研究进展 1.2.1 Half-Heusler金属间化合物 Half-Heusle金属间化合物的通式为ABX，A为元素周期表左边的过渡元素(钛或钒族)，B为元素周期表右边的过渡元素(铁、钴或镍族)，X为主族元素(稼、锡、锑等)。Half-Heusler金属间化合物是立方MgAgAs型结构。这种材料的特点是在室温下有较高的电导率和Seebeck系数，可以达到300μV/K，在700～800K时，材料的ZT值可达到0.5～0.6，但缺点是热导率也很高(室温下为5～ 9W/(M?K))[2]。 1.2.2填充Skutterudite化合物

国家标准碳酸铈

国家标准《碳酸铈》 (送审稿)编制说明一、工作简况 1.任务背景铈是稀土矿中含量最多的元素，其应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。主要用于制备稀土发光材料、汽车尾气净化催化剂、抛光材料及彩色工程塑料用颜料，还可用于化学试剂，作氯化铈、氧化铈的中间材料。作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电；作为汽车尾气净化催化剂，可有效防止大量汽车废气排到空气中；作为颜料，硫化铈可取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，对塑料着色，用于涂料、油墨和纸张等行业；Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学。碳酸铈产品通过稀土矿产品在冶炼分离厂生产。目前《碳酸铈》国家标准是由江西金世纪新材料股份有限公司负责起草，1996年首次制定，2008年第一次修订的。国外迄今暂无这方面的产品标准。自2008年第一次修订以来，虽然标准使用状况良好，多数厂家以此作为生产和交易标准。但随着铈产品在不同领域、不同阶段的应用发展，使用厂家的不断增多，特别是近年来在环保、催化剂、绝缘材料添加剂等领域不断有对高纯（大于4N）碳酸铈产品的需求，且对产品的技术条件也提出了许多新要求，为此，我公司做了前期调研工作，以E-mail、电话、QQ等形式征询各主要生产厂家及用户单位对碳酸铈产品标准修订的意见和建议，觉得为生产和贸易的需求，有必要对该标准进行修订。 2.任务来源根据国标委综合[2016]80号文件《国家标准委关于下达《高碳铬不锈轴承钢》等62项国家标准制修订计划的通知》，《碳酸铈》国家标准计划正式下达，计划号20161877-T-469，完成年限2017年11月。根据文件要求，江西金世纪新材料股份有限公司填报了《标准制（修）订项目落实任务书》，负责起草单位为江西金

新型热电材料及研究进展

新型热电材料及研究进展摘要：热电效应在发电和致冷方面有着巨大的应用潜力。从如何提高热电材料热电优值的理论研究出发,列出了寻找高优值热电材料的几种主要途径。在此基拙上,重点介绍了最近几年来新型热电材料的研究发展情况,包括笼式化合物、超晶格热电材料、Half一Hueselr合金等。并提出了亚待解决的问题和今后的研究方向。关键字：热电；电优值；新型热电材料 1引言能源是人类活动的物质基础，随着人类活动以及工业化革命的不断进行，传统的一些不可再生能源开始日益枯竭’所以新能源的开发迫在眉睫，而新能源的开发利用需要借助能源材料来实现’能源转换材料（热电材料）成为材料科学热点’热电材料的应用主要有温差发电和热电制冷，温差发电是利用效应，直接将热能转化为电能的研究’温差发电在工业余热&废热和低品味热温差发电方面有很大的潜在应用’与温差发电相反，热电制冷利用效应可以制造热电制冷机’热电制冷具有机械压缩制冷机所没有的一些优点，尺寸小质量轻无任何机械转动部分工作无噪声无液态或气态介质，因而不存在污染环境问题；可以实现精确控温，响应速度快，器件使用寿命长，因此热电制冷已用于很多领域’另外，热电制冷材料的一个可能具有实际应用意义的场合是为超导材料的使用提供低温环境’1823年,Seebeck首次发现了热电效应(又称温差电效应),从而开始了人类对热电材料的研究和应用。近年来,随着人们对环境和能源问题的日益重视,热电材料开始受到更为普遍的关注。 2材料的热电效应热电材料具有3 个基本效应，即效应效应和效应，这3 个效应奠定了热电理论的基础，同时也确定了热电材料的应用方向。 Seebeck效应又称为温差电效应，是指在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，发现了回路中有一电动势存在Seebeck 效应的大小可通过Seebeck系数（温差电动势率）来表征 3新型热电材料种类随着科技进步和新材料合成技术的发展&各种测试手段的不断提高以及计算机在材料研究中的广泛应用，使得目前热电材料的研究日新月异，大量的新型热电材料层出不穷。 3.1半导体金属合金型热电材料金属材料的热电效应非常小,除在测温方面的应用外,其他没有实际的应用价值。直到20世纪50年代,人们发现小带隙(small band gap)掺杂半导体比金属大很多热电效应,研制温差电源和热电制冷器已具有现实意义[1]。这类材料以Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ族及稀土元素为主。目前,研究较为成熟并且已经应用于热电设备中的材料主要是金属化合物及其固溶体合金如 Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe、SiGe、CrSi等,这些材料都可以通过掺杂分别制成P型和n型材料。有报道称在实验室得到的最高ZT值达到2.2 (AgPb m SbTe2+m, 800K)[2]到2.4(Bi2Te3/Sb2Te3超晶格, 300K) [3]。通过调整成分、掺杂和改进制备方法可以进一步提高这些材料的ZT,通过化学气相沉积（ CVD ）过程得到综合两维Sb2Te3/Bi2Te3超晶格薄膜的ZT高达2.5[4]，ZT的研究还在继续进行[5]。但是这些热电材料存在制备条件要求较高,需在一定的气体保护下进行,不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点。 3.2方钴矿(Skutterudite)热电材料 Skutterudide是CoSb3的矿物名称，名称为方钴矿，是一类通式为AB3的化合物（其中A是金属元素，如Ir、Co、Rh、Fe等；B是V族元素，如As、Sb、P等）。二元Skutterudite 化合物是窄带隙半导体，其带隙仅为几百毫电子伏，同时此类化合物具有较高的载流子迁移率和中等大小的反Seebeek系数，但热导率比传统的热电材料要高.此类化合物的显著特点

热电材料研究进展修订稿

热电材料研究进展 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-

热电材料研究进展热电材料研究进展颜艳明1，应鹏展1，2,张晓军1，崔鑫3 （1中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏徐州，221116 2中国矿业大学应用技术学院，江苏徐州，221008 3河南永煤集团城郊煤矿，河南永城， 476600，）摘要：本文介绍了热电材料的种类及各种热电材料的ZT值，提高热电材料热电性能的方法及热电材料在温差发电和制冷方面的应用，并对其发展前景进行了展望。关键词：热电材料；热导率；载流子 Progress of thermoelectric materials Yanyanming1,Yingpengzhan1,2，zhangxiaojun1,cuixin3 (1:Shool of Materials, CUMT,Xuzhou , Jiangsu, 221116 2: School of applied Technology,CUMT,xuzhou,Jiangsu,2211163: Yong suburban coal mine in Henan Coal Group,yongcheng,Henan,476600) Abstract: This paper is described the types of thermoelectric materials and every thermoelectric materials’ ZT value,the way to improve the thermoelectric m aterials’ performance of thermal power and the application of thermoelectric materials’ on thermal power generation and refrigeration, also give its future development prospects. Key words: Thermoelectric materials; Thermal conductivity; Carrier 1、引言在以石油价格暴涨为标志的“能源危机”之后,世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式, 以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。于是,从上个世纪九十年代以来, 能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。尤其是近几年, 国际上关于热电材料的研究更是非常火热。目前，热电材料的研究主要集中在三个领域：室温以下的低温领域、从室温到700K的中温领域和700K以上的高温领域。热电材料（又称温差电材料）是利用固体内部载流子和声子的输运及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，其具有无机械可动部分、运行安静、小型轻便及对环境无污染等优点，在温差发电和制冷领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。较好的热电材料必须具有较高的Seebeck系数，从而保证有较明显的热电

深入剖析我国半导体制冷技术发展现状

深入剖析我国半导体制冷技术发展现状热电制冷相关技术的发展为半导体制冷技术的兴起做出了良好的准备，一定程度上可以说前者是后者的基础与起源。制冷，即从相对低温环境中吸收热量，并将热量转移给环境的过程。为了满足人类对于低于环境温度条件的需求，制冷技术逐渐兴起。随着科学技术不断发展，热电制冷材料逐渐兴起，其发展有力地推动了半导体制冷技术的产生和发展。能级材料的不同是半导体制冷技术的根本半导体制冷技术主要包含五种不同的热电效应：汤姆逊效应、傅立叶效应、焦耳效应、塞贝克效应和帕尔帖效应。傅立叶效应指的是经过均匀的介质沿着某一方向传递的热量与该方向温度梯度的乘积和垂直这个方面的面积的乘积成正比;焦耳效应指的是稳定电流产生的热量等于电流平方和导体电阻的乘积;汤姆逊效应的具体含义则是有温度梯度的导体在电流过后，周围的环境和导体之间会出现能量交换的现象;塞贝克效应指的是两种不同的导体组成闭合回路，当其中的两个连接点温度不同时，电动势的现象就会产生;而塞贝克效应的逆过程就会形成帕尔贴效应，两种不同的材料构成回路时，回路的两端会分别放出和吸收热量，半导体制冷技术的本质是材料的能级的改变，通过对半导体材料组成的P-N结(见图1)施加直流电进行制冷。载流子从一种材料迁移到另一种势能不同的材料形成了电流，为了实现能量守恒的原则，载流子在

通过结点时会和周围的环境进行能量交换。能级的改变使得制冷系统成为可能。图1 半导体制冷技术的本质是能级的改变 (来源：中国知网) 半导体制冷技术优势明显半导体制冷技术与传统的机械制冷技术相比较而言，具有可靠性强、体积小、操作简单、制冷制热迅速、无污染和容易实现高精度的温度控制等突出的优点(见表1)。但不可否认的是，尽管半导体制冷技术优势十分明显，但仍然存在加工工艺复杂、成本高、制冷效率低和不适合大功率环境使用等缺点。表1 半导体制冷技术的优势

热电材料作为环境友好的能源转化材料

热电材料作为环境友好的能源转化材料，已显示出了引人瞩目的应用前景，但是热电器件走向实际应用的最大问题在于它的转换效率。从热力学的基本定理来说,热电优值没有上限。即使是应用固体理论模型和较为实际的数据计算得到的优值上限为ZT=4，仍远远大于目前己获得的最大ZT值。通过寻求新类型或新结构的热电材料，优化制备工艺等，将有可能使材料优值得到明显提高。从目前的研究现状来看，未来热电材料的研究方向趋于以下几个方面: 2.纳米复合热电材料的研究 1.低维热电材料的研究降低材料维度，使用二维量子阱，一维量子线超晶格可以有效提高费米能级附近的态密度，增加载流子有效质量，提高Seebeek系数，同时材料中大量晶界对声子的散射使热导率大幅降低，两方面的共同作用使材料ZT值大幅提高。即在三维块体材料中引入或原位生成纳米结构，或者将低维材料体系聚合成微纳复合材料，纳米结构的引入一方面可以大幅降低热导率，另一方面，可以通过量子限制效应大幅提高费米能级附近的电子态密度，提高Seebeck系数。电子跃迁示意图导电聚合物的热电优值(ZT)优化只是处于起步阶段，还需要关于形态，化学和电子结构对三个主要的热电参数的影响进行了系统的了解。因为热电特性都彼此相关，以及导电聚合物众所周知的形态复杂性及其物理性质的各向异性，这一问题变得困难起来。就在过去几十年的导体和半导体聚合物研究的基础上，为聚合物基有机热电材料的发展奠定了坚实的基础。这一新兴研究领域的一个主要挑战是理解在导电聚合物各种塞贝克效应的来源以获得高的能量因子。此外，材料的热电性能表征也应得到发展。今天，从废物和太阳热能中大面积地进行热电能量收

浅析半导体的热电效应

浅析半导体的热电效应冯启业 222007322072003 电科一班摘要：把热能转换为电能的所谓热电效应的发现已有一个半世纪的历史，这是与温度梯度的存在有关的现象，其中最重要的是温差电现象。但是，由于金属的温差电动势很小，只是在用作测量温度的温差电偶方面得到了应用。半导体出现后，发现它能得到比金属大得多的温差电动势，在热能与电能的转换上，可以有较高的效率，因此，在温差发电、温差致冷方面获得了发展。由于温度梯度及电流同时存在时引起的一些现象——主要是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。关键词：热电效应塞贝克效应珀尔帖效应汤姆逊效应正文：一、塞贝克效应塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个基本因素。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi 能级也是倾斜的；两端Fermi能级的差就等于温差电动势。实际上，影响Seebeck效应的因素还有两个：第一个因素是载流子的能量和速度。因为热端和冷端的载流子能量不同，这实际上就反映了半导体Fermi能级在两端存在差异，因此这种作用也会对温差电动势造成影响——增强Seebeck效应。第二个因素是声子。因为热端的声子数多于冷端，则声子也将要从高温端向低温端扩，并在扩散过程中可与载流子碰撞、把能量传递给载流子，从而加速了载流子的运动——声子牵引，这种作用会增加载流子在冷端的积累、增强Seebeck效应。半导体的Seebeck效应较显著。一般，半导体的Seebeck系数为数百mV/K，这要比金属的高得多。利用塞贝克效应，可制成温差电偶（thermocouple，即热电偶）来测量温度。只要选用适当的金属作热电偶材料，就可轻易测量到从－180℃到＋2000℃的温度，如此宽泛的测量范围，令酒精或水银温度计望尘莫及。现在，通过采用铂和铂合金制作的热电偶温度计，甚至可以测量高达＋2800℃的温度！二、珀尔帖效应两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。这就是珀尔帖效应（PeltierEffect）。帕尔帖效应也称作热电第二效应。对帕尔帖效应的物理