使用Mini-PEM和ZEM-3评价热电材料的性能

使用Mini-PEM和ZEM-3评价热电材料的性能

热电转换技术是利用材料的塞贝克效应和佩尔捷效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电致冷。这种技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点。它作为一种特殊电源和高精度温控器件，在空间技术、军事装备、信息技术等高新技术领域获得了普遍应用。尽管热电材料具有如此多的优点，有望在人类生活的各个方面发挥巨大的作用，但是目前现有的热电材料的转换效率还比较低，限制了热电材料的广泛应用。在科研工作中通常使用热电优值（ZT值）来衡量热电材料的转换效率，为了有一较高热电优值ZT，材料必须有高的塞贝克系数(S)，高的电导率与低的导热系数。

近日，来自日本产业技术研究所（AIST）的科研人员使用日本ADVANCERIKO公司的小型热电转换效率测量系统Mini-PEM评价了Bi₂Te₃合金的热电性能。科研人员使用掺杂了Sb或Se的Bi₂Te₃合金制备了如图1的单偶热电器件来测量热电转换效率。

图1a Mini-PEM样品单元示意图

图1b Bi₂Te₃合金单偶热电器件

当热端温度为50℃、100℃、150℃、200℃和220℃时，分别测量各个温度下冷却循环水的进口温度与出口温度，待温度稳定再后进行电学测量（Voltage/Current），最后分别绘制电压、输出功率、热流量和热电转换效率与电流关系的曲线。（图2）

图2 电压、输出功率、热流量和热电转换效率与电流的关系曲线

科研人员还使用了同样是日本ADVANCERIKO公司产品的塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3和激光热导仪分别测量了材料（来自同一批次热压法制备的Bi₂Te₃合金）的热电转换参数（电阻率、热导率、塞贝克系数和热电优值ZT），结果见图3。

图3 材料的热电参数：电阻率（a）、热导率（b）、塞贝克系数（c）和热电优值（ZT）

由以上测量结果可以得知，电压、功率、热流量和热电转换效率均与电流相关。当温度差增加时，以上各项均增大。热流量是通过测量冷却循环水的进出口温度计算得到的。当热端温度为220℃时，可以测得最大的功率（0.14W）和热电转换效率（3.1%）。

参考文献：

[1] XIAOKAI HU, KAZUO NAGASE, PRIYANKA JOOD, MICHIHIRO OHTA, and ATSUSHI YAMAMOTO. Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 44, No. 6, 2015.