掺杂PbTe基热电材料的粉末冶金法制备及性能的分析研究.pdf

2 三大热电效应热电学来源于三种基本效应: Seebeck 效应、 Peltier 效应和 Thomson 效应。基于这三种基本效应,可以制造出各种可以实现热能与电能之间互相转换的热电器件。 Seebeck 效应图 1-1 热电效应示意图 Fig. Sketch diagram of thermoelectrics Seebeck 效应是热能转换成电能的效应。如图 1-1 所示,两种不同的导体串联起来形成一个回路,如果接头 1 和 2 保持在两个不同的温度 T 1 和 T 2 ( T 1 >T 2 ) ,则在导体 b 的开路位置 c 和 d 之间就会出现电势差,该电势差数值为: V cd = α ab (T 1 -T 2) () 当两接头间的温差Δ T 不是很大时, V cd 与Δ T 之间为线性关系, α ab 为常数, 该常数被定义为两种不同导体之间的相对 Seebeck 系数,即: α ab =V cd / ΔT () 顾 Seebeck 系数的单位是 V/K, 由于热电材料的该数值比较小,通常使用的单位是μ V/K 。“通常规定:若电流在接头 1 (热接头)处由导体 a 流入导体 b , 其 Seebeck 系数α ab 就为正,而在同一接头处,若电流又导体 b 流入导体 a 则 Seebeck 系数α就为负”[8] 。顾 Seebeck 系数的数值与正负只与材料本身的特性有关。 Seebeck 系数通常也称作温差电动势,其物理本质可以通过导体在温度梯度的作用下,其内部载流子的分布来说明。当导体为恒温的孤立导体时,载流子在其内部是均匀分布的。当温度梯度建立,高温端的载流子动能较大,低温端的载流子动能小,高温端载流子将向低温端扩散,使得低温端载流子浓度 3 增大,高温端载流子浓度减小,一方面破坏导体均匀的载流子分布,另一方面使得导体内部产生一个自建电场,组织高温端载流子向低温端的扩散,当自建电场与载流子扩散达到平衡时,到体内无净电荷的定向移动,此时导体两端的电势差就是 Seebeck 电势。 Peltier 效应与 Seebeck 效应相反的就是 Peltier 效应,若在图 1-1 的 c 、 d 两端施加一个电动势,两种不同导体构成的回路中将产生电流 I,而在接头 1 、 2处,一个将出现吸热现象,而另一个出现放热现象。 Peltier 发现,接头处的吸热(或放热) 速率 q 与回路中的电流 I 成正比, 即 q= π ab I 。式中的π ab 即位 Peltier 系数, π ab=q/I 。 Peltier 效应来自于载流子在构成回路的两种导体中的不同势能造成的差异。当载流子从一种导体通过接头处进入另一导体时,需要在接头附近与晶格发生能量交换,以达到新的平衡。 Thomson 效应 Thomson 效应与上述两个效应不同,上述两个效应都是由两种不同金属构成的回路中发现的,而 Thomson 效应则是在单一均匀的材料中的发生热电效应。假设流经一段均匀导体的电流为 I,而在电流方向上的温度差为Δ T,则这段导体上的吸热(放热)速率为 q= β I Δ T , β=q/(I Δ T) 即为 Thomson 系数,单位与 Seebeck 系数一样,为 V/K 。 Thomson 系数是 Thomson 在研究 Seebeck 系数与 Peltier 系数的联系时发现的,他发现三个热电系数之间的关系为: α ab = π ab /T , d α ab/dT=( β a - β b)/T 。由这两个关系式出发,可以定义一种材料的绝对 Seebeck 系数,并且明确了热电效应并不是界面效应,而是贯穿整个导体的一种体效应。这三种效应以及由此定义的三种热电系数都是表征材料热电性能的重要参数,其互相之间的关系也是研究热电材料的基础。 热电性能的基本参数通过对热电器件制冷(发热)效率、最大温差和发电效率的研究发现,无论是制冷还是发电器,在给定的温差下, 工作效率与材料的三种性能有关,即 Seebeck 系数 S 、电导率σ和热导率κ,人们发现 S 2 σ/ κ值越大,热电材料的工作效率越高。定义 Z= α 2 σ/ κ为热电材料的温差电优值,该式简明的描述了热电器件对材料性能的要求。 4 Seebeck 系数半导体材料的 Seebeck 系数是由导带中的载流子运动产生的,主要有两部分构成:扩散温差电势率 S d 和声子曳引电势率 S g。低温下,材料的 Seebeck 主要受到 Sg 影响,随着温度的上升,声子散射加强, Sg 会很