Termoelektrické materiály - Thermoelectric materials

Tento článek je o materiálech, které se používají nebo by mohly být použity k využití termoelektrického jevu v praktických aplikacích. Definici termoelektrického jevu a jeho základní fyziky viz termoelektrický jev.
Termoelektrický jev
Thermoelectric Seebeck power module.jpg
Aplikace

Termoelektrické materiály [1] ukaž termoelektrický jev v silné nebo pohodlné formě.

The termoelektrický jev odkazuje na jevy, kterými buď a teplota rozdíl vytváří elektrický potenciál nebo elektrický potenciál vytváří teplotní rozdíl. Tyto jevy jsou konkrétněji známé jako Seebeckův efekt (vytvoření napětí z teplotního rozdílu), Peltierův efekt (hnací tok tepla elektrickým proudem) a Thomsonův efekt (reverzibilní ohřev nebo chlazení ve vodiči, když je jak elektrický proud, tak teplotní gradient). Zatímco všechny materiály mají nenulový termoelektrický efekt, ve většině materiálů je příliš malý na to, aby byl užitečný. Avšak pro použití včetně jsou zvažovány také levné materiály, které mají dostatečně silný termoelektrický účinek (a další požadované vlastnosti) výroba elektřiny a chlazení. Nejběžněji používaný termoelektrický materiál je založen na telurid bismutu (Bi
2Te
3).

Termoelektrické materiály se používají v termoelektrických systémech pro chlazení nebo topení ve specializovaných aplikacích, a jsou studovány jako cesta k regenerovat elektřinu z odpadního tepla.[2]

Termoelektrická hodnota zásluh

Užitečnost materiálu v termoelektrických systémech je určena účinnost zařízení. Ty jsou určeny materiálem elektrická vodivost, tepelná vodivost, Seebeckův koeficient které se mění s teplota. Maximální účinnost procesu přeměny energie (pro výrobu energie i chlazení) v daném bodě v materiálu je určena termoelektrickými materiály hodnota zásluh , dána[3]

který obsahuje Seebeckův koeficient S, tepelná vodivost κ, elektrická vodivost σa teplota T.

Účinnost zařízení

Účinnost termoelektrického zařízení pro výrobu elektřiny je dána vztahem , definováno jako

Maximální účinnost termoelektrického zařízení je obvykle popsána z hlediska jeho zařízení hodnota zásluh kde je maximální účinnost zařízení dána vztahem

kde je teplota na horkém uzlu a je teplota na chlazeném povrchu.

U jedné termoelektrické větve lze účinnost zařízení vypočítat z vlastností závislých na teplotě S, κ a σ a tepelný a elektrický proud proudí materiálem.[3]Ve skutečném termoelektrickém zařízení se používají dva materiály (typicky jeden typ n a jeden typ p) s kovovými propojeními. Maximální účinnost se potom vypočítá z účinnosti obou ramen a elektrických a tepelných ztrát z propojovacích vedení a okolí.

Ignorování těchto ztrát, nepřesný odhad pro je dána[4]

kde je elektrický odpor a vlastnosti jsou zprůměrovány v teplotním rozsahu; je průměrná teplota mezi horkým a studeným povrchem a dolní indexy n a p označují vlastnosti související s polovodičovými termoelektrickými materiály typu n a p. Pouze když mají prvky n a p stejné vlastnosti nezávislé na teplotě () dělá .

Protože termoelektrická zařízení jsou tepelné motory, je jejich účinnost omezena Carnotova účinnost , první faktor v , zatímco a určuje maximální reverzibilitu termodynamického procesu globálně a lokálně. Bez ohledu na to Koeficient výkonu současných komerčních termoelektrických ledniček se pohybuje od 0,3 do 0,6, což je šestina hodnoty oproti tradičním parním kompresorům.[5]

Faktor síly

Často termoelektrický faktor síly je udáván pro termoelektrický materiál, daný

kde S je Seebeckův koeficient, a σ je elektrická vodivost.

Ačkoli se často tvrdí, že zařízení TE s materiály s vyšším účinníkem jsou schopna „generovat“ více energie (pohybovat více tepla nebo extrahovat více energie z tohoto teplotního rozdílu), platí to pouze pro termoelektrická zařízení s pevnou geometrií a neomezeným teplem zdroj a chlazení. Pokud je geometrie zařízení optimálně navržena pro konkrétní aplikaci, termoelektrické materiály budou pracovat při své špičkové účinnosti, která je určena jejich ne .[6]

Aspekty volby materiálů

Pro dobrou účinnost jsou zapotřebí materiály s vysokou elektrickou vodivostí, nízkou tepelnou vodivostí a vysokým Seebeckovým koeficientem.

Hustota stavu: kovy vs. polovodiče

The struktura pásma polovodičů nabízí lepší termoelektrické efekty než pásová struktura kovů.

The Fermiho energie je pod vodivé pásmo což způsobilo, že hustota stavu byla kolem Fermiho energie asymetrická. Proto je průměrná elektronová energie ve vodivém pásmu vyšší než energie Fermiho, což činí systém příznivý pro pohyb náboje do stavu s nižší energií. Naproti tomu energie Fermiho leží ve vodivém pásmu kovů. Díky tomu je hustota stavu symetrická kolem energie Fermi, takže průměrná energie elektronů vedení je blízká energii Fermi, což snižuje síly tlačící na přenos náboje. Polovodiče jsou proto ideálními termoelektrickými materiály.[7]

Vodivost

Ve výše uvedených rovnicích účinnosti tepelná vodivost a elektrická vodivost soutěžit.

Tepelná vodivost κ má hlavně dvě složky:

κ = κ elektron + κ telefon

Podle Wiedemann – Franzův zákon, čím vyšší je elektrická vodivost, tím vyšší κ elektron se stává.[7] V kovech je tedy poměr tepelné a elektrické vodivosti přibližně pevný, protože dominuje elektronová část. V polovodičích je phononová část důležitá a nelze ji zanedbávat. Snižuje účinnost. Pro dobrou účinnost nízký poměr κ telefon / κ elektron je žádoucí.

Proto je nutné minimalizovat κ telefon a udržujte vysokou elektrickou vodivost. Polovodiče by tedy měly být vysoce dotované.

G. A. Slack[8] navrhl, že za účelem optimalizace hodnoty zásluh, fonony, kteří jsou zodpovědní za tepelnou vodivost, musí materiál zažít jako sklo (zažívá vysoký stupeň telefon rozptyl - spouštění tepelná vodivost ) zatímco elektrony musí to zažít jako krystal (zažívá velmi malý rozptyl - udržování elektrická vodivost ). Hodnotu zásluh lze zlepšit nezávislou úpravou těchto vlastností.

Faktor kvality (podrobná teorie o polovodičích)

Maximum materiálu je dán faktorem kvality materiálu

kde je Boltzmannova konstanta, je redukovaná Planckova konstanta, je počet zdegenerovaných údolí pro pásmo, je průměrný modul podélné pružnosti, je setrvačná efektivní hmotnost, je koeficient deformačního potenciálu, je mřížkové tepelné vedení a je teplota. Postava zásluh, , závisí na dopingové koncentraci a teplotě sledovaného materiálu.[9] Faktor kvality materiálu: je užitečné, protože umožňuje vnitřní srovnání možné účinnosti mezi různými materiály.[10] Tento vztah ukazuje, že zlepšení elektronických součástek , který primárně ovlivňuje Seebeckův koeficient, zvýší faktor kvality materiálu. Díky velkému počtu vodivých pásem lze vytvořit velkou hustotu stavů () nebo plochými pásy poskytujícími efektivní hmotnost vysokého pásma (). Pro izotropní materiály . Proto je žádoucí, aby termoelektrické materiály měly vysokou degeneraci údolí ve velmi ostré pásové struktuře.[11] Důležité jsou další složité vlastnosti elektronické struktury. Ty lze částečně kvantifikovat pomocí funkce elektronického fitness.[12]

Zajímavé materiály

Strategie pro zlepšení termoelektriky zahrnují obě pokročilé sypké materiály a používání nízkodimenzionálních systémů. Takové přístupy ke snížení mříž tepelná vodivost spadají do tří obecných typů materiálů: (1) Slitiny: vytvořit bodové vady, volná místa nebo chrastící struktury (těžký ion druhy s velkými vibracemi amplitudy obsažené v částečně vyplněných strukturálních lokalitách) k rozptýlení fononů uvnitř jednotková buňka krystal;[13] (2) Složité krystaly: oddělte phononové sklo od elektronového krystalu pomocí přístupů podobných těm pro supravodiče (oblast odpovědnou za transport elektronů by měla být elektronový krystal polovodiče s vysokou mobilitou, zatímco phononové sklo by mělo ideálně obsahovat neuspořádané struktury a dopující látky aniž by došlo k narušení elektronového krystalu, analogicky k zásobníku náboje ve vysokém TC supravodiče[14]); (3) Vícefázové nanokompozity: rozptyl fononů na rozhraní nanostrukturovaných materiálů,[15] ať už jsou to smíšené kompozity nebo tenký film superlattices.

Materiály uvažované pro aplikace termoelektrických zařízení zahrnují:

Chalkogenidy bismutu a jejich nanostruktury

Materiály jako Bi
2Te
3 a Bi
2Se
3 obsahují jedny z nejvýkonnějších termoelektrik pro pokojovou teplotu s teplotně nezávislou hodnotou zásluh, ZT, mezi 0,8 a 1,0.[16] Nanostrukturalizace těchto materiálů za vzniku střídavé vrstvené superlattové struktury Bi
2Te
3 a Sb
2Te
3 Vrstvy vytvářejí zařízení, ve kterém je dobrá elektrická vodivost, ale kolmá ke které je špatná tepelná vodivost. Výsledkem je vylepšený ZT (přibližně 2,4 při pokojové teplotě u typu p).[17] Všimněte si, že tato vysoká hodnota ZT nebyla nezávisle potvrzena kvůli komplikovaným požadavkům na růst těchto superlatt a výroby zařízení; materiálové hodnoty ZT jsou však konzistentní s výkonem chladičů hot-spot vyrobených z těchto materiálů a ověřených v laboratořích Intel.

Tellurid bismutu a jeho pevné roztoky jsou dobrými termoelektrickými materiály při pokojové teplotě, a proto jsou vhodné pro chladicí aplikace kolem 300 K. K pěstování monokrystalických sloučenin teluridu bismutu byla použita Czochralského metoda. Tyto sloučeniny se obvykle získávají směrovým tuhnutím z tavení nebo práškové metalurgie. Materiály vyráběné těmito metodami mají nižší účinnost než monokrystalické kvůli náhodné orientaci krystalických zrn, ale jejich mechanické vlastnosti jsou lepší a citlivost na strukturní vady a nečistoty je nižší díky vysoké optimální koncentraci nosiče.

Požadovaná koncentrace nosiče se získá výběrem nestechiometrického složení, kterého se dosáhne zavedením přebytečného atomu bismutu nebo telluru do primární taveniny nebo příměsemi nečistot. Některé možné dopující látky jsou halogeny a atomy IV a V. Vzhledem k malé propustnosti (0,16 eV) Bi2Te3 je částečně zdegenerovaný a odpovídající úroveň Fermiho by měla být blízko pokojového vodivého pásma při pokojové teplotě. Velikost mezery v pásmu znamená, že Bi2Te3 má vysokou vlastní koncentraci nosiče. Pro malé stechiometrické odchylky proto nelze zanedbávat vedení minoritního nosiče. Použití teluridových sloučenin je omezeno toxicitou a vzácností teluru.[18]

Olovo telurid

Heremans et al. (2008) to prokázali thalium -doped Vést slitina tellurid (PbTe) dosahuje ZT 1,5 při 773 K.[19] Později, Snyder et al. (2011) uváděli ZT ~ 1,4 při 750 K v sodíku dopovaném PbTe,[20] a ZT ~ 1,8 při 850 K v sodíku dopovaném PbTe1 − xSeX slitina.[21] Snyderova skupina určila, že jak thalium, tak i sodík změnit elektronovou strukturu krystalu a zvýšit elektronickou vodivost. Tvrdí to také selen zvyšuje elektrickou vodivost a snižuje tepelnou vodivost.

V roce 2012 jiný tým použil telurid olovnatý k přeměně 15 až 20 procent odpadního tepla na elektřinu a dosáhl ZT 2,2, což podle nich bylo dosud nejvyšší.[22][23]

Anorganické klatráty

Anorganické klatráty mají obecný vzorec AXByC46 let (typ I) a A.XByC136 let (typ II), kde B a C jsou prvky skupiny III a IV, které tvoří rámec, kde „hostující“ atomy A (alkálie nebo kov alkalických zemin ) jsou zapouzdřeny do dvou různých mnohostěn proti sobě. Rozdíly mezi typy I a II pocházejí z počtu a velikosti dutin přítomných v nich jednotkové buňky. Vlastnosti přenosu závisí na vlastnostech rámce, ale vyladění je možné změnou „hostujících“ atomů.[24][25]

Nejpřímějším přístupem k syntéze a optimalizaci termoelektrických vlastností polovodičových klatrátů typu I je substituční doping, kdy jsou některé základní atomy nahrazeny dopantovými atomy. Kromě toho byly při syntéze klatrátů použity techniky práškové metalurgie a růstu krystalů. Strukturální a chemické vlastnosti klatrátů umožňují optimalizaci jejich transportních vlastností jako funkci stechiometrie. Struktura materiálů typu II umožňuje částečné naplnění mnohostěnů, což umožňuje lepší vyladění elektrických vlastností a tím lepší kontrolu dopingové úrovně. Částečně naplněné varianty lze syntetizovat jako polovodičové nebo dokonce izolační.

Blake et al. předpověděli ZT ~ 0,5 při teplotě místnosti a ZT ~ 1,7 při 800 K pro optimalizované složení. Kuzněcov et al. změřili elektrický odpor a Seebeckův koeficient pro tři různé klatráty typu I nad pokojovou teplotou a odhadem tepelné teploty s vysokou teplotou z publikovaných údajů o nízké teplotě získali ZT ~ 0,7 při 700 K pro Ba8Ga16Ge30 a ZT ~ 0,87 při 870 K pro Ba8Ga16Si30.[26]

Sloučeniny prvku Mg a skupiny 14

Mg2BIV (B14= Si, Ge, Sn) a jejich pevné roztoky jsou dobrými termoelektrickými materiály a jejich hodnoty ZT jsou srovnatelné s hodnotami zavedených materiálů. Příslušné výrobní metody jsou založeny na přímém společném tavení, ale bylo také použito mechanické legování. Během syntézy dochází ke ztrátám hořčíku v důsledku odpařování a segregace složek (zejména u Mg2Sn) je třeba vzít v úvahu. Metody řízené krystalizace mohou produkovat jednotlivé krystaly Mg2Si, ale skutečně mají vodivost typu n a doping, např. s Sn, Ga, Ag nebo Li je zapotřebí k výrobě materiálu typu p, který je potřebný pro efektivní termoelektrické zařízení.[27] Pevné roztoky a dopované sloučeniny musí být žíhány, aby se získaly homogenní vzorky - se stejnými vlastnostmi. Při 800 K, Mg2Si0,55 − xSn0.4Ge0.05BiX bylo hlášeno, že má hodnotu zásluh asi 1,4, což je nejvyšší hodnota, která byla u těchto sloučenin dosud hlášena.[28]

Skutteruditová termoelektrika

Skutterudity mají chemické složení LM4X12, kde L je a kov vzácných zemin (volitelná součást), M je a přechodový kov a X je a metaloid, prvek skupiny V nebo a pnictogen jako fosfor, antimon nebo arsen. Tyto materiály vykazují ZT> 1,0 a lze je potenciálně použít ve vícestupňových termoelektrických zařízeních.[29]

Nevyplněné tyto materiály obsahují dutiny, které mohou být naplněny ionty s nízkou koordinací (obvykle prvky vzácných zemin ) ke snížení tepelné vodivosti výrobou zdrojů pro mřížkový fononový rozptyl, bez redukce elektrická vodivost.[30] Je také možné snížit tepelnou vodivost ve skutteruditu bez vyplnění těchto dutin pomocí speciální architektury obsahující nano- a mikro-póry.[31]

NASA vyvíjí a Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator ve kterém by byly termočlánky vyrobeny skutterudit, které mohou fungovat s menším teplotním rozdílem než aktuální telur vzory. To by znamenalo, že jinak podobný RTG by na začátku mise generoval o 25% více energie a po sedmnácti letech alespoň o 50% více. NASA doufá, že design použije i na další Nové hranice mise.[32]

Oxidová termoelektrika

Homologní kysličník sloučeniny (například sloučeniny ve formě (SrTiO
3)n(SrO)
m—The Fáze Ruddlesden-Popper ) mají vrstvené superlattické struktury, které z nich činí slibné kandidáty pro použití ve vysokoteplotních termoelektrických zařízeních.[33] Tyto materiály vykazují nízkou tepelnou vodivost kolmou k vrstvám při zachování dobré elektronické vodivosti ve vrstvách. Jejich hodnoty ZT mohou u epitaxiálu dosáhnout 2,4 SrTiO
3 filmy a zvýšená tepelná stabilita těchto oxidů ve srovnání s konvenčními vysokými ZT vizmut sloučeniny, což z nich dělá vynikající vysokoteplotní termoelektrika.[34]

Zájem o oxidy jako termoelektrické materiály byl znovu probuzen v roce 1997, kdy byla hlášena relativně vysoká termoelektrická energie pro NaCo2Ó4.[35][34] Kromě jejich tepelné stability jsou dalšími výhodami oxidů jejich nízká toxicita a vysoká oxidační odolnost. Současné ovládání elektrického i fononického systému může vyžadovat nanostrukturované materiály. Vrstvený Ca3Spol4Ó9 vykazovaly hodnoty ZT 1,4–2,7 při 900 K.[34] Pokud mají vrstvy v daném materiálu stejnou stechiometrii, budou stohovány tak, aby stejné atomy nebyly umístěny na sebe, což by bránilo telefon vodivost kolmá k vrstvám.[33] V poslední době si oxidová termoelektrika získala velkou pozornost, takže rozsah slibných fází se drasticky zvýšil. Noví členové této rodiny zahrnují ZnO,[34] MnO2,[36] a NbO2.[37][38]

Slitiny poloviny Heuslera

Slitiny poloviny Heuslera (HH) mají velký potenciál pro vysokoteplotní výrobu energie. Příklady těchto slitin zahrnují NbFeSb, NbCoSn a VFeSb. Mají kubickou strukturu typu MgAgAs tvořenou třemi vzájemně se prostupujícími krychlovými (fcc) mřížkami orientovanými na obličej. Schopnost nahradit kteroukoli z těchto tří sublattices otevírá dveře pro širokou škálu sloučenin, které mají být syntetizovány. Pro snížení tepelné vodivosti a zvýšení elektrické vodivosti se používají různé atomové substituce.[39]

Dříve nemohla ZT dosáhnout maxima více než 0,5 pro sloučeninu typu H a 0,8 pro sloučeninu typu H n. V posledních několika letech však vědci dokázali dosáhnout ZT≈1 jak pro n-typ, tak pro p-typ.[39] Zrna o velikosti nano jsou jedním z přístupů používaných ke snížení tepelné vodivosti prostřednictvím rozptylu fononů s podporou hranic zrn.[40] Dalším přístupem bylo využití principů nanokompozitů, kterými byla určitá kombinace kovů upřednostňována u ostatních kvůli rozdílu velikosti atomů. Například Hf a Ti jsou účinnější než Hf a Zr, když se týká snížení tepelné vodivosti, protože rozdíl atomové velikosti mezi první a druhou je větší.[41]

Flexibilní termoelektrické materiály

Elektricky vodivé organické materiály

Výroba elektřiny uchopením obou stran pružného PEDOT: PSS termoelektrické zařízení
PEDOT: Model založený na PSS zabudovaný do rukavice pro výrobu elektřiny tělesným teplem

Vodivé polymery jsou významným zájmem pro flexibilní termoelektrický vývoj. Jsou flexibilní, lehké, geometricky univerzální a lze je zpracovat v měřítku, což je důležitá součást komercializace. Strukturální porucha těchto materiálů však často inhibuje elektrickou vodivost mnohem více než tepelnou vodivost, což zatím omezuje jejich použití. Mezi nejběžnější vodivé polymery zkoumané pro flexibilní termoelektriku patří poly (3,4-ethylendioxythiofen) (PEDOT), polyaniliny (PANI), polythiofeny, polyacetyleny, polypyrol a polykarbazol. PEDOT typu P: PSS (polystyrensulfonát) a PEDOT-Tos (Tosylát) byly jedny z nejvíce povzbuzujících zkoumaných materiálů. Organická, na vzduchu stabilní termoelektrika typu n je často obtížnější syntetizovat kvůli jejich nízké elektronové afinitě a pravděpodobnosti reakce s kyslíkem a vodou ve vzduchu. [42] Tyto materiály mají často hodnotu zásluh, která je pro komerční aplikace stále příliš nízká (~ 0,42 palce PEDOT: PSS ) kvůli špatné elektrické vodivosti.[43]

Hybridní kompozityHybridní kompozitní termoelektrika zahrnuje smíchání dříve diskutovaných elektricky vodivých organických materiálů nebo jiných kompozitních materiálů s jinými vodivými materiály ve snaze zlepšit transportní vlastnosti. Vodivé materiály, které se nejčastěji přidávají, zahrnují uhlíkové nanotrubice a grafen kvůli jejich vodivosti a mechanickým vlastnostem. Ukázalo se, že uhlíkové nanotrubice mohou zvýšit pevnost v tahu polymerního kompozitu, se kterým jsou smíchány. Mohou však také snížit flexibilitu.[44] Budoucí studie orientace a zarovnání těchto přidaných materiálů dále umožní lepší výkon.[45] Perkolační prahová hodnota CNT je často obzvláště nízká, výrazně pod 10%, kvůli jejich vysokému poměru stran.[46] Nízký práh perkolace je žádoucí jak z hlediska nákladů, tak z hlediska flexibility.

Hybridní termoelektrické kompozity také označují polymer-anorganické termoelektrické kompozity. Toho je obecně dosaženo prostřednictvím inertní polymerní matrice, která je hostitelem termoelektrického plniva. Matice je obecně nevodivá, aby nedocházelo ke zkratu a aby termoelektrický materiál dominoval vlastnostem elektrického přenosu. Jednou z hlavních výhod této metody je, že polymerní matrice bude obecně vysoce neuspořádaná a náhodná na mnoha různých délkových stupnicích, což znamená, že kompozitní materiál může mít mnohem nižší tepelnou vodivost. Obecný postup pro syntézu těchto materiálů zahrnuje rozpouštědlo pro rozpuštění polymeru a disperzi termoelektrického materiálu ve směsi.[47]


Křemík-germanium

Sypký Si vykazuje nízkou ZT ~ 0,01 kvůli své vysoké tepelné vodivosti. ZT však může být až 0,6 palce křemíkové nanodráty, které si zachovávají vysokou elektrickou vodivost dotovaného Si, ale snižují tepelnou vodivost kvůli zvýšenému rozptylu fononů na jejich rozsáhlých površích a malém průřezu.[48]

Kombinace Si a Ge také umožňuje udržet vysokou elektrickou vodivost obou složek a snížit tepelnou vodivost. Redukce pochází z dalšího rozptylu v důsledku velmi odlišných mřížkových (fononových) vlastností Si a Ge.[49] Jako výsledek, Křemík-germanium slitiny jsou v současnosti nejlepšími termoelektrickými materiály kolem 1000 ℃, a proto se v některých používají radioizotopové termoelektrické generátory (RTG) (zejména MHW-RTG a GPHS-RTG ) a některé další aplikace s vysokou teplotou, například rekuperace odpadního tepla. Použitelnost slitin křemíku a germania je omezena jejich vysokou cenou a středními hodnotami ZT (~ 0,7); ZT však může být v nanostrukturách SiGe zvýšen na 1–2 kvůli snížení tepelné vodivosti.[50]

Kobaltan sodný

Pokusy na krystalech kobaltanu sodného za použití rentgen a rozptyl neutronů experimenty prováděné na Evropské zařízení pro synchrotronové záření (ESRF) a Institut Laue-Langevin (ILL) v Grenoblu dokázali potlačit tepelnou vodivost šestkrát ve srovnání s kobaltanem sodným bez volných míst. Experimenty souhlasily s odpovídajícími funkční výpočty hustoty. Tato technika zahrnovala velké anharmonické posuny Na
0.8Vrkat
2 obsažené v krystalech.[51][52]

Amorfní materiály

V roce 2002 Nolas a Goldsmid přišli s návrhem, že systémy s fononovou střední volnou cestou větší než střední nosná náboje mohou mít zvýšenou termoelektrickou účinnost.[53] To lze realizovat v amorfní termoelektrice a brzy se staly středem mnoha studií. Tato převratná myšlenka byla provedena v Cu-Ge-Te,[54] NbO2,[55] In-Ga-Zn-O,[56] Zr-Ni-Sn,[57] Si-Au,[58] a Ti-Pb-V-O[59] amorfní systémy. Je třeba zmínit, že modelování transportních vlastností je dostatečně náročné, aniž by došlo k narušení řádu dlouhého dosahu, takže návrh amorfní termoelektriky je v plenkách. Amorfní termoelektrika přirozeně vede k rozsáhlému rozptylu fononů, což je pro krystalickou termoelektriku stále výzva. U těchto materiálů se očekává jasná budoucnost.

Funkčně tříděné materiály

Funkčně tříděné materiály umožňují zlepšit účinnost převodu stávajících termoelektrik. Tyto materiály mají nerovnoměrné rozdělení koncentrace nosiče a v některých případech také složení pevného roztoku. V aplikacích na výrobu energie může být teplotní rozdíl několik stovek stupňů, a proto zařízení vyrobená z homogenních materiálů mají určitou část, která pracuje při teplotě, kde je ZT podstatně nižší než jeho maximální hodnota. Tento problém lze vyřešit použitím materiálů, jejichž transportní vlastnosti se mění podél jejich délky, což umožňuje podstatné zlepšení provozní účinnosti při velkých teplotních rozdílech. To je možné u funkčně tříděných materiálů, protože mají proměnlivou koncentraci nosiče po celé délce materiálu, která je optimalizována pro operace ve specifickém teplotním rozsahu.[60]

Nanomateriály a superlatice

Kromě nanostrukturovaných Bi
2Te
3/Sb
2Te
3 superlattické tenké filmy, jiné nanostrukturované materiály, včetně křemíkové nanodráty,[48] nanotrubice a kvantové tečky ukázat potenciál při zlepšování termoelektrických vlastností.

Superlattice kvantových teček PbTe / PbSeTe

Další příklad superlattice zahrnuje PbTe / PbSeTe kvantová tečka superlattices poskytuje vylepšený ZT (přibližně 1,5 při pokojové teplotě), který byl vyšší než objemová hodnota ZT pro PbTe nebo PbSeTe (přibližně 0,5).[61]

Stabilita nanokrystalů a tepelná vodivost

Ne všechny nanokrystalické materiály jsou stabilní, protože velikost krystalů může růst při vysokých teplotách a ničit požadované vlastnosti materiálů.

Nanokrystalické materiály mají mnoho rozhraní mezi krystaly, které Fyzika SASER rozptýlené fonony takže tepelná vodivost je snížena. Fonony jsou omezeny k zrnu, pokud je jejich střední volná cesta větší než velikost zrna materiálu.[48]

Nanokrystalické silicidy přechodných kovů

Nanokrystalické silicidy přechodných kovů jsou slibnou skupinou materiálů pro termoelektrické aplikace, protože splňují několik kritérií, která jsou požadována z hlediska komerčních aplikací. U některých nanokrystalických silicidů přechodových kovů je účiník vyšší než u odpovídajícího polykrystalického materiálu, ale nedostatek spolehlivých údajů o tepelné vodivosti brání hodnocení jejich termoelektrické účinnosti.[62]

Nanostrukturované skutterudity

Skutterudity, kobaltový arzenid minerální s různým množstvím niklu a železa, mohou být vyráběny uměle a jsou kandidáty na lepší termoelektrické materiály.

Jednou z výhod nanostruktury skutterudity nad normálními skutterudity je jejich snížená tepelná vodivost, způsobená rozptylem hranic zrn. Hodnoty ZT ~ 0,65 a> 0,4 ​​byly dosaženy pomocí CoSb3 založené vzorky; první hodnoty byly 2,0 pro Ni a 0,75 pro Te-dopovaný materiál při 680 K a druhé pro Au-kompozit při T> 700 K..[63]

Ještě většího zlepšení výkonu lze dosáhnout použitím kompozitů a řízením velikosti zrna, podmínek zhutnění polykrystalických vzorků a koncentrace nosiče.

Grafen

Grafen je známý svou vysokou elektrickou vodivostí a Seebeckovým koeficientem při pokojové teplotě.[64][65] Z termoelektrického hlediska je však jeho tepelná vodivost značně vysoká, což zase omezuje jeho ZT.[66] Bylo navrženo několik přístupů ke snížení tepelné vodivosti grafenu bez velké změny jeho elektrické vodivosti. Patří mezi ně mimo jiné následující:

  • Doping s izotopy uhlíku za vzniku izotopové heterojunkce, jako je 12C a 13C. Tyto izotopy mají různé neshody frekvencí fononů, což vede k rozptylu nosičů tepla (fononů). Ukázalo se, že tento přístup neovlivňuje ani účiník, ani elektrickou vodivost.[67]
  • Ukázalo se, že vrásky a praskliny ve struktuře grafenu přispívají ke snížení tepelné vodivosti. Uváděné hodnoty tepelné vodivosti suspendovaného grafenu o velikosti 3,8 µm ukazují široké rozpětí od 1 500 do 5 000 W / (m · K). Nedávná studie to připisuje mikrostrukturálním defektům přítomným v grafenu, jako jsou vrásky a praskliny, které mohou snížit tepelnou vodivost o 27%.[68] Tyto vady pomáhají rozptylovat fonony.
  • Zavádění defektů technikami, jako je léčba kyslíkovou plazmou. Systematičtější způsob zavádění defektů ve struktuře grafenu se provádí pomocí O2 léčba plazmou. Nakonec bude vzorek grafenu obsahovat předepsané otvory rozmístěné a očíslované podle intenzity plazmy. Lidé byli schopni zlepšit ZT grafenu z 1 na hodnotu 2,6, když se hustota defektů zvýší z 0,04 na 2,5 (toto číslo je indexem hustoty defektů a obvykle je pochopitelné ve srovnání s odpovídající hodnotou neošetřeného grafenu, 0,04 v našem případě). Tato technika by nicméně snížila také elektrickou vodivost, kterou lze udržovat beze změny, pokud jsou optimalizovány parametry zpracování plazmy.[64]
  • Funkcionalizace grafenu kyslíkem. Tepelné chování oxid grafenu ve srovnání se svým protějškem nebyl podrobně vyšetřován; grafen. Teoreticky se však ukázalo na modelu DFT (Density Functional Theory Model), že přidání kyslíku do mřížky grafenu značně snižuje jeho tepelnou vodivost v důsledku účinku rozptylu fononu. Rozptyl fononů je výsledkem jak akustického nesouladu, tak snížené symetrie ve struktuře grafenu po dopování kyslíkem. Snížení tepelné vodivosti může při tomto přístupu snadno překročit 50%.[65]

Superlatice a drsnost

Superlattices - nano strukturované termočlánky jsou považovány za dobrého kandidáta na lepší výrobu termoelektrických zařízení s materiály, které lze použít při výrobě této struktury.

Jejich výroba je nákladná pro obecné použití díky výrobním procesům založeným na drahých metodách růstu tenkých vrstev. Jelikož je však množství tenkovrstvých materiálů požadovaných pro výrobu zařízení se superlattami mnohem menší než tenkovrstvé materiály v objemových termoelektrických materiálech (téměř o faktor 1/10 000), je dlouhodobá výhoda nákladů skutečně příznivá.

To platí zejména s ohledem na omezenou dostupnost teluru, která způsobuje nárůst konkurenčních solárních aplikací pro termoelektrické spojovací systémy.

Superlattické struktury také umožňují nezávislou manipulaci s transportními parametry úpravou samotné struktury, což umožňuje výzkum pro lepší pochopení termoelektrických jevů v nanoměřítku a studium přenos elektronů blokující fonony struktury - vysvětlující změny v elektrickém poli a vodivosti v důsledku nanostruktury materiálu.[17]

Existuje mnoho strategií ke snížení superlattické tepelné vodivosti, které jsou založeny na inženýrství přenosu fononů. Tepelnou vodivost podél roviny filmu a osy drátu lze snížit vytvořením rozptyl rozptýleného rozhraní a zmenšením separační vzdálenosti rozhraní, které jsou způsobeny drsností rozhraní.

Drsnost rozhraní může přirozeně nastat nebo může být uměle vyvolána. Drsnost je v přírodě způsobena smícháním atomů cizích prvků. Umělou drsnost lze vytvořit pomocí různých typů struktur, například kvantová tečka rozhraní a tenké vrstvy na stupňovitě zakryté podklady.[50][49]

Problémy v superlattách

Snížená elektrická vodivost:
Snížené struktury rozhraní s rozptylem fononů často také vykazují pokles elektrické vodivosti.

The tepelná vodivost ve směru příčné roviny mřížky je obvykle velmi nízký, ale v závislosti na typu superlattice je termoelektrický koeficient se může zvýšit kvůli změnám struktury pásma.

Nízký tepelná vodivost v superlattices je obvykle kvůli silnému rozptylu rozhraní phonons. Minibands are caused by the lack of quantum confinement within a well. The mini-band structure depends on the superlattice period so that with a very short period (~1 nm) the band structure approaches the alloy limit and with a long period (≥ ~60 nm) minibands become so close to each other that they can be approximated with a continuum.[69]

Superlattice structure countermeasures:
Counter measures can be taken which practically eliminate the problem of decreased electrical conductivity in a reduced phonon-scattering interface. These measures include the proper choice of superlattice structure, taking advantage of mini-band conduction across superlattices, and avoiding quantum-confinement. It has been shown that because electrons and phonons have different wavelengths, it is possible to engineer the structure in such a way that phonons are scattered more diffusely at the interface than electrons.[17]

Phonon confinement countermeasures:
Another approach to overcome the decrease in electrical conductivity in reduced phonon-scattering structures is to increase phonon reflectivity and therefore decrease the thermal conductivity perpendicular to the interfaces.

This can be achieved by increasing the mismatch between the materials in adjacent layers, including hustota, skupinová rychlost, měrné teplo, and the phonon-spectrum.

Interface roughness causes diffuse phonon scattering, which either increases or decreases the phonon reflectivity at the interfaces. A mismatch between bulk dispersion relations confines phonons, and the confinement becomes more favorable as the difference in dispersion increases.

The amount of confinement is currently unknown as only some models and experimental data exist. As with a previous method, the effects on the electrical conductivity have to be considered.[50][49]

Attempts to localize long-wavelength phonons by aperiodic superlattices or composite superlattices with different periodicities have been made. In addition, defects, especially dislocations, can be used to reduce thermal conductivity in low dimensional systems.[50][49]

Parasitic heat:
Parasitic heat conduction in the barrier layers could cause significant performance loss. It has been proposed but not tested that this can be overcome by choosing a certain correct distance between the quantum wells.

The Seebeck coefficient can change its sign in superlattice nanowires due to the existence of minigaps as Fermi energy varies. This indicates that superlattices can be tailored to exhibit n or p-type behavior by using the same dopants as those that are used for corresponding bulk materials by carefully controlling Fermi energy or the dopant concentration. With nanowire arrays, it is possible to exploit půlměsíc -semiconductor transition due to the quantum confinement and use materials that normally would not be good thermoelectric materials in bulk form. Such elements are for example bismuth. The Seebeck effect could also be used to determine the carrier concentration and Fermi energy in nanowires.[70]

In quantum dot thermoelectrics, unconventional or nonband transport behavior (e.g. tunneling or hopping) is necessary to utilize their special electronic band structure in the transport direction. It is possible to achieve ZT>2 at elevated temperatures with quantum dot superlattices, but they are almost always unsuitable for mass production.

However, in superlattices, where quantum-effects are not involved, with film thickness of only a few mikrometry (µm) to about 15 µm, Bi2Te3/Sb2Te3 superlattice material has been made into high-performance microcoolers and other devices. The performance of hot-spot coolers[17] are consistent with the reported ZT~2.4 of superlattice materials at 300 K.[71]

Nanocomposites are promising material class for bulk thermoelectric devices, but several challenges have to be overcome to make them suitable for practical applications. It is not well understood why the improved thermoelectric properties appear only in certain materials with specific fabrication processes.[72]

SrTe nanocrystals can be embedded in a bulk PbTe matrix so that rocksalt lattices of both materials are completely aligned (endotaxy) with optimal molar concentration for SrTe only 2%. This can cause strong phonon scattering but would not affect charge transport. In such case, ZT~1.7 can be achieved at 815 K for p-type material.[73]

Cínový selenid

In 2014, researchers at Northwestern University discovered that tin selenide (SnSe) has a ZT of 2.6 along the b axis of the unit cell.[74][75] This is the highest value reported to date. This high ZT figure of merit has been attributed to an extremely low thermal conductivity found in the SnSe lattice. Specifically, SnSe demonstrated a lattice thermal conductivity of 0.23 W·m−1· K.−1, which is much lower than previously reported values of 0.5 W·m−1· K.−1 and greater.[76]This SnSe material also exhibited a ZT of 2.3±0.3 along the c-axis and 0.8±0.2 along the a-axis. These excellent figures of merit were obtained by researchers working at elevated temperatures, specifically 923 K (650 °C). As shown by the figures below, SnSe performance metrics were found to significantly improve at higher temperatures; this is due to a structural change that is discussed below. Power factor, conductivity, and thermal conductivity all reach their optimal values at or above 750 K, and appear to plateau at higher temperatures. However, these reports have become controversial as reported in Nature because other groups have not been able to reproduce the reported bulk thermal conductivity data.[77]

SnSe performance metrics[76]

Although it exists at room temperature in an orthorhombic structure with space group Pnma, SnSe has been shown to undergo a transition to a structure with higher symmetry, space group Cmcm, at higher temperatures.[78] This structure consists of Sn-Se planes that are stacked upwards in the a-direction, which accounts for the poor performance out-of-plane (along a-axis). Upon transitioning to the Cmcm structure, SnSe maintains its low thermal conductivity but exhibits higher carrier mobilities, leading to its excellent ZT value.[76]

One particular impediment to further development of SnSe is that it has a relatively low carrier concentration: approximately 1017 cm−3. Further compounding this issue is the fact that SnSe has been reported to have low doping efficiency.[79]

However, such single crystalline materials suffer from inability to make useful devices due to their brittleness as well as narrow range of temperatures, where ZT is reported to be high. Further, polycrystalline materials made out of these compounds by several investigators have not confirmed the high ZT of these materials.

Výrobní metody

Production methods for these materials can be divided into powder and crystal growth based techniques. Powder based techniques offer excellent ability to control and maintain desired carrier distribution, particle size, and composition.[80] In crystal growth techniques dopants are often mixed with melt, but diffusion from gaseous phase can also be used.[81] In the zone melting techniques disks of different materials are stacked on top of others and then materials are mixed with each other when a traveling heater causes melting. In powder techniques, either different powders are mixed with a varying ratio before melting or they are in different layers as a stack before pressing and melting.

There are applications, such as cooling of electronic circuits, where thin films are required. Therefore, thermoelectric materials can also be synthesized using fyzikální depozice par techniky. Another reason to utilize these methods is to design these phases and provide guidance for bulk applications.

3D tisk

Significant improvement on 3D printing skills makes it possible for thermoelectric materials to be prepared via 3D printing technologies. Thermoelectric products are made from special materials that absorb heat and create electricity. The requirement of having complex geometries that fit in tightly constrained spaces, makes 3D printing the ideal manufacturing technique.[82] There are several benefits to the use of additive manufacturing in thermoelectric material production. Additive manufacturing allows for innovation in the design of these materials, facilitating intricate geometric that would not otherwise be possible by conventional manufacturing processes. It reduces the amount of wasted material during production and allows for faster production turnaround times by eliminating the need for tooling and prototype fabrication, which can be time-consuming and expensive.[83]

There are several major additive manufacturing technologies that have emerged as feasible methods for the production of thermoelectric materials, including continuous inkjet printing, dispenser printing, screen printing, stereolitografie, a selektivní laserové slinování. Each method has its own challenges and limitations, especially related to the material class and form that can be used. For example, selective laser sintering (SLS) can be used with metal and ceramic powders, stereolithography (SLA) must be used with curable resins containing solid particle dispersions of the thermoelectric material of choice, and inkjet printing must use inks which are usually synthesized by dispersing inorganic powders to organic solvent or making a suspension.[84][85]

The motivation for producing thermoelectrics by means of additive manufacturing is due to a desire to improve the properties of these materials, namely increasing their thermoelectric figure of merit ZT, and thereby improving their energy conversion efficiency.[86] Research has been done proving the efficacy and investigating the material properties of thermoelectric materials produced via additive manufacturing. An extrusion-based additive manufacturing method was used to successfully print bismuth telluride (Bi2Te3) with various geometries. This method utilized an all-inorganic viscoelastic ink synthesized using Sb2Te2 chalcogenidometallate ions as binders for Bi2Te3-based particles. The results of this method showed homogenous thermoelectric properties throughout the material and a thermoelectric figure of merit ZT of 0.9 for p-type samples and 0.6 for n-type samples. The Seebeck coefficient of this material was also found to increase with increasing temperature up to around 200 °C.[87]

Groundbreaking research has also been done towards the use of selective laser sintering (SLS) for the production of thermoelectric materials. Loose Bi2Te3 powders have been printed via SLS without the use of pre- or post-processing of the material, pre-forming of a substrate, or use of binder materials. The printed samples achieved 88% relative density (compared to a relative density of 92% in conventionally manufactured Bi2Te3). Scanning Electron Microscopy (SEM) imaging results showed adequate fusion between layers of deposited materials. Though pores existed within the melted region, this is a general existing issue with parts made by SLS, occurring as a result of gas bubbles that get trapped in the melted material during its rapid solidification. X-ray diffraction results showed that the crystal structure of the material was in tact after laser melting.

The Seebeck coefficient, figure of merit ZT, electrical and thermal conductivity, specific heat, and thermal diffusivity of the samples were also investigated, at high temperatures up to 500 °C. Of particular interest is the ZT of these Bi2Te3 samples, which were found to decrease with increasing temperatures up to around 300 °C, increase slightly at temperatures between 300-400 °C, and then increase sharply without further increase in temperature. The highest achieved ZT value (for an n-type sample) was about 0.11.

The bulk thermoelectric material properties of samples produced using SLS had comparable thermoelectric and electrical properties to thermoelectric materials produced using conventional manufacturing methods. This the first time the SLS method of thermoelectric material production has been used successfully.[86]

Aplikace

Chlazení

Hlavní článek: Termoelektrické chlazení

Thermoelectric materials can be used as refrigerators, called "thermoelectric coolers", or "Peltier coolers" after the Peltierův efekt that controls their operation. As a refrigeration technology, Peltier cooling is far less common than parní kompresní chlazení. The main advantages of a Peltier cooler (compared to a vapor-compression refrigerator) are its lack of moving parts or chladivo, and its small size and flexible shape (form factor).[88]

The main disadvantage of Peltier coolers is low efficiency. It is estimated that materials with ZT>3 (about 20–30% Carnot efficiency) would be required to replace traditional coolers in most applications.[61] Today, Peltier coolers are only used in niche applications, especially small scale, where efficiency is not important.[88]

Výroba elektřiny

Hlavní článek: Termoelektrický generátor

Thermoelectric efficiency depends on the hodnota zásluh, ZT. There is no theoretical upper limit to ZT, and as ZT approaches infinity, the thermoelectric efficiency approaches the Carnot limit. However, no known thermoelectrics have a ZT>3.[89] As of 2010, thermoelectric generators serve application niches where efficiency and cost are less important than reliability, light weight, and small size.[90]

Internal combustion engines capture 20–25% of the energy released during fuel combustion.[91] Increasing the conversion rate can increase mileage and provide more electricity for on-board controls and creature comforts (stability controls, telematics, navigation systems, electronic braking, etc.)[92] It may be possible to shift energy draw from the engine (in certain cases) to the electrical load in the car, e.g., electrical power steering or electrical coolant pump operation.[91]

Kogenerace power plants use the heat produced during electricity generation for alternative purposes. Thermoelectrics may find applications in such systems or in solární tepelná energie generace.[93]

Viz také

Reference

  1. ^ Snyder, G.J.; Toberer, E.S. (2008). "Complex Thermoelectric Materials". Přírodní materiály. 7 (2): 105–114. Bibcode:2008NatMa...7..105S. doi:10.1038/nmat2090. PMID  18219332.
  2. ^ Wang, H; Pei, Y; LaLonde, AD; Snyder, GJ (2012). "Weak electron-phonon coupling contributing to high thermoelectric performance in n-type PbSe". Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (25): 9705–9. Bibcode:2012PNAS..109.9705W. doi:10.1073/pnas.1111419109. PMC  3382475. PMID  22615358.
  3. ^ A b Snyder, G.J. (2017). "Figure of merit ZT of a thermoelectric device defined from materials properties". Energetická a environmentální věda. 10 (11): 2280–2283. doi:10.1039/C7EE02007D.
  4. ^ Ioffe, A.F. (1960) Fyzika polovodičů, Academic Press Inc., New York
  5. ^ Kim, D.S.; Infante Ferreira, C.A. (2008). "Solar refrigeration options – a state-of-the-art review". International Journal of Refrigeration. 31: 3–15. doi:10.1016/j.ijrefrig.2007.07.011.
  6. ^ Baranowski, L.L.; Toberer, E.S.; Snyder, GJ (2013). "The Misconception of Maximum Power and Power Factor in Thermoelectrics" (PDF). Journal of Applied Physics. 115: 126102. doi:10.1063/1.4869140.
  7. ^ A b Timothy D. Sands (2005), Designing Nanocomposite Thermoelectric Materials
  8. ^ Slack GA., in Rowe 2005
  9. ^ Mahan, G. D. (1997). "Good Thermoelectrics". Solid State Physics - Advances in Research and Applications. Fyzika pevných látek. 51. Akademický tisk. pp. 81–157. doi:10.1016/S0081-1947(08)60190-3. ISBN  978-0-12-607751-3.
  10. ^ Koumoto, Kunihito; Mori, Takao (2013-07-20). Thermoelectric Nanomaterials: Materials Design and Applications. Springer Science & Business Media. ISBN  978-3-642-37537-8.
  11. ^ Yanzhong, Pei; Heng, Wang; J., Snyder, G. (2012-12-04). "Band Engineering of Thermoelectric Materials". Pokročilé materiály. 24 (46): 6125–6135. doi:10.1002/adma.201202919. PMID  23074043. Citováno 2015-10-23.
  12. ^ Xing, Guangzong; Sun, Jifeng; Li, Yuwei; Fan, Xiaofeng; Zheng, Weitao; Singh, David J. (2017). "Electronic fitness function for screening semiconductors as thermoelectric materials". Physical Review Materials. 1 (6): 065405. arXiv:1708.04499. Bibcode:2017PhRvM...1f5405X. doi:10.1103/PhysRevMaterials.1.065405. S2CID  67790664.
  13. ^ Bhandari, C. M. in Rowe 2005, pp. 55–65
  14. ^ Cava, R. J. (1990). "Structural chemistry and the local charge picture of copper-oxide superconductors". Věda. 247 (4943): 656–62. Bibcode:1990Sci...247..656C. doi:10.1126/science.247.4943.656. PMID  17771881. S2CID  32298034.
  15. ^ Dresselhaus, M. S.; Chen, G .; Tang, M. Y.; Yang, R. G.; Lee, H.; Wang, D. Z.; Ren, Z. F.; Fleurial, J.-P.; Gogna, P. (2007). "New directions for low-dimensional thermoelectric materials" (PDF). Pokročilé materiály. 19 (8): 1043–1053. doi:10.1002/adma.200600527.
  16. ^ Duck Young Chung; Hogan, T.; Schindler, J.; Iordarridis, L.; Brazis, P.; Kannewurf, C.R.; Baoxing Chen; Uher, C.; Kanatzidis, M.G. (1997). "Complex bismuth chalcogenides as thermoelectrics". XVI ICT '97. Proceedings ICT'97. 16th International Conference on Thermoelectrics (Cat. No.97TH8291). p. 459. doi:10.1109/ICT.1997.667185. ISBN  978-0-7803-4057-2. S2CID  93624270.
  17. ^ A b C d Venkatasubramanian, Rama; Siivola, Edward; Colpitts, Thomas; O'Quinn, Brooks (2001). "Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit". Příroda. 413 (6856): 597–602. Bibcode:2001Natur.413..597V. doi:10.1038/35098012. PMID  11595940. S2CID  4428804.
  18. ^ Rowe 2005, Ch. 27.
  19. ^ Heremans, J. P.; Jovovic, V.; Toberer, E. S.; Saramat, A.; Kurosaki, K.; Charoenphakdee, A.; Yamanaka, S .; Snyder, G. J. (2008). "Enhancement of Thermoelectric Efficiency in PbTe by Distortion of the Electronic Density of States" (PDF). Věda. 321 (5888): 554–7. Bibcode:2008Sci...321..554H. doi:10.1126/science.1159725. PMID  18653890. S2CID  10313813.
  20. ^ Pei, Yanzhong; Lalonde, Aaron; Iwanaga, Shiho; Snyder, G. Jeffrey (2011). "High thermoelectric figure of merit in heavy hole dominated PbTe" (PDF). Energetika a věda o životním prostředí. 4 (6): 2085. doi:10.1039/C0EE00456A.
  21. ^ Pei, Yanzhong; Shi, Xiaoya; Lalonde, Aaron; Wang, Heng; Chen, Lidong; Snyder, G. Jeffrey (2011). "Convergence of electronic bands for high performance bulk thermoelectrics" (PDF). Příroda. 473 (7345): 66–9. Bibcode:2011Natur.473...66P. doi:10.1038/nature09996. PMID  21544143. S2CID  4313954.
  22. ^ Quick, Darren (September 20, 2012). "World's most efficient thermoelectric material developed". Gizmag. Citováno 16. prosince 2014.
  23. ^ Biswas, K.; On, J .; Blum, I. D.; Wu, C. I.; Hogan, T. P.; Seidman, D. N.; Dravid, V. P.; Kanatzidis, M. G. (2012). "High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures". Příroda. 489 (7416): 414–418. Bibcode:2012Natur.489..414B. doi:10.1038/nature11439. PMID  22996556. S2CID  4394616.
  24. ^ Rowe 2005, 32–33.
  25. ^ Gatti, C., Bertini, L., Blake, N. P. and Iversen, B. B. (2003). "Guest–Framework Interaction in Type I Inorganic Clathrates with Promising Thermoelectric Properties: On the Ionic versus Neutral Nature of the Alkaline-Earth Metal Guest A in A8Ga16Ge30 (A=Sr, Ba)". Chemie. 9 (18): 4556–68. doi:10.1002/chem.200304837. PMID  14502642.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  26. ^ Rowe 2005, Ch. 32–33.
  27. ^ Hirayama, Naomi; Iida, Tsutomu; Sakamoto, Mariko; Nishio, Keishi; Hamada, Noriaki (2019). "Substitutional and interstitial impurity p-type doping of thermoelectric Mg2Si: A theoretical study". Věda a technologie pokročilých materiálů. 20 (1): 160–172. doi:10.1080/14686996.2019.1580537. PMC  6419642. PMID  30891103.
  28. ^ Khan, A.U.; Vlachos, N; Kyratsi, Th (2013). "High thermoelectric figure of merit of Mg2Si0.55-xSn0.4Ge0.05 materials doped with Bi and Sb". Scripta Materialia. 69 (8): 606–609. doi:10.1016/j.scriptamat.2013.07.008.
  29. ^ Rowe 2005, Ch. 34.
  30. ^ Nolas, G. S.; Slack, G. A.; Morelli, D. T.; Tritt, T. M.; Ehrlich, A. C. (1996). "The effect of rare-earth filling on the lattice thermal conductivity of skutterudites". Journal of Applied Physics. 79 (8): 4002. Bibcode:1996JAP....79.4002N. doi:10.1063/1.361828.
  31. ^ Khan, Atta U.; Kobayashi, Kazuaki; Tang, Dai-Ming; Yamauchi, Yasuke; Hasegawa, Kotone; Mitome, Masanori; Xue, Yanming; Jiang, Baozhen; Tsuchiay, Koichi; Dmitri, Golberg; Mori, Takao (2017). "Nano-micro-porous skutterudites with 100% enhancement in ZT for high performance thermoelectricity". Nano energie. 31: 152–159. doi:10.1016/j.nanoen.2016.11.016.
  32. ^ "Spacecraft 'Nuclear Batteries' Could Get a Boost from New Materials". JPL News. Laboratoř tryskového pohonu. 13. října 2016.
  33. ^ A b Rowe 2005, Ch. 35.
  34. ^ A b C d Ohtaki, Michitaka (2011). "Recent aspects of oxide thermoelectric materials for power generation from mid-to-high temperature heat source". Journal of the Ceramic Society of Japan. 119 (11): 770–775. doi:10.2109/jcersj2.119.770.
  35. ^ Matsuno, Jobu; Fujioka, Jun; Okuda, Tetsuji; Ueno, Kazunori; Mizokawa, Takashi; Katsufuji, Takuro (2018). "Strongly correlated oxides for energy harvesting". Věda a technologie pokročilých materiálů. 19 (1): 899–908. Bibcode:2018STAdM..19..899M. doi:10.1080/14686996.2018.1529524. PMC  6454405. PMID  31001365.
  36. ^ Music, D.; Schneider, J.M. (2015). "Critical evaluation of the colossal Seebeck coefficient of nanostructured rutile MnO2". Journal of Physics: Condensed Matter. 27 (11): 115302. Bibcode:2015JPCM...27k5302M. doi:10.1088/0953-8984/27/11/115302. PMID  25730181.
  37. ^ Music, D.; Chen, Y.-T.; Bliem, P.; Geyer, R.W. (2015). "Amorphous-crystalline transition in thermoelectric NbO2". Journal of Physics D: Applied Physics. 48 (27): 275301. Bibcode:2015JPhD...48.5301M. doi:10.1088/0022-3727/48/27/275301.
  38. ^ Onozato, T.; Katase, T.; Yamamoto, A .; et al. (2016). "Optoelectronic properties of valence-state-controlled amorphous niobium oxide". Journal of Physics: Condensed Matter. 28 (25): 255001. Bibcode:2016JPCM...28y5001O. doi:10.1088/0953-8984/28/25/255001. PMID  27168317.
  39. ^ A b Huang, Lihong; Zhang, Qinyong; Yuan, Bo; Lai, Xiang; Yan, Xiao; Ren, Zhifeng (2016). "Recent progress in half-Heusler thermoelectric materials". Bulletin materiálového výzkumu. 76: 107–112. doi:10.1016/j.materresbull.2015.11.032.
  40. ^ Yan, Xiao; Joshi, Giri; Liu, Weishu; Lan, Yucheng; Wang, Hui; Lee, Sangyeop; Simonson, J. W.; Poon, S. J.; Tritt, T. M.; Chen, Gang; Ren, Z. F. (2011). "Enhanced Thermoelectric Figure of Merit of p-Type Half-Heuslers". Nano dopisy. 11 (2): 556–560. Bibcode:2011NanoL..11..556Y. doi:10.1021/nl104138t. PMID  21186782.
  41. ^ Kimura, Yoshisato; Ueno, Hazuki; Mishima, Yoshinao (2009). "Thermoelectric Properties of Directionally Solidified Half-Heusler (MA0.5,Mb0.5)NiSn (MA, M.b = Hf, Zr, Ti) Alloys". Journal of Electronic Materials. 38 (7): 934–939. doi:10.1007/s11664-009-0710-x. S2CID  135974684.
  42. ^ Tian, R.; Wan, C.; Hayashi, N.; Aoai, T. (March 2018). "Wearable and flexible thermoelectrics for energy harvesting". Materials for Energy Harvesting. 43 (3): 193-198. doi:10.1557/mrs.2018.8.
  43. ^ Petsagkourakis, Ioannis; Tybrandt, Klas; Crispin, Xavier; Ohkubo, Isao; Satoh, Norifusa; Mori, Takao (2018). "Thermoelectric materials and applications for energy harvesting power generation". Věda a technologie pokročilých materiálů. 19 (1): 836–862. Bibcode:2018STAdM..19..836P. doi:10.1080/14686996.2018.1530938. PMC  6454408. PMID  31001364.
  44. ^ Bannych, A.; Katz, S.; Barkay, Z.; Lachman, N. (Jun 2020). "Preserving Softness and Elastic Recovery in Silicone-Based Stretchable Electrodes Using Carbon Nanotubes". Polymery. 12 (6). doi:10.3390/polym12061345.
  45. ^ Chung, D.D.L. (Říjen 2018). "Thermoelectric polymer-matrix structural and nonstructural composite materials". Advance Industrial and Engineering Polymer Research. 1 (1): 61-65. doi:10.1016/j.aiepr.2018.04.001.
  46. ^ Nandihalli, N.; Liu, C .; Mori, Takao (December 2020). "Polymer based thermoelectric nanocomposite materials and devices: Fabrication and characteristics". Nano energie. 78. doi:10.1016/j.nanoen.2020.105186.
  47. ^ Peng, J.; Witting, I.; Grayson, M.; Snyder, G.J.; Yan, X. (December 2019). "3D extruded composite thermoelectric threads for flexible energy harvesting". Příroda komunikace. 10. doi:10.1038/s41467-019-13461-2.
  48. ^ A b C Zhan, Tianzhuo; Yamato, Ryo; Hashimoto, Shuichiro; Tomita, Motohiro; Oba, Shunsuke; Himeda, Yuya; Mesaki, Kohei; Takezawa, Hiroki; Yokogawa, Ryo; Xu, Yibin; Matsukawa, Takashi; Ogura, Atsushi; Kamakura, Yoshinari; Watanabe, Takanobu (2018). "Miniaturized planar Si-nanowire micro-thermoelectric generator using exuded thermal field for power generation". Věda a technologie pokročilých materiálů. 19 (1): 443–453. Bibcode:2018STAdM..19..443Z. doi:10.1080/14686996.2018.1460177. PMC  5974757. PMID  29868148.
  49. ^ A b C d Nakamura, Yoshiaki (2018). "Nanostructure design for drastic reduction of thermal conductivity while preserving high electrical conductivity". Věda a technologie pokročilých materiálů. 19 (1): 31–43. Bibcode:2018STAdM..19...31N. doi:10.1080/14686996.2017.1413918. PMC  5769778. PMID  29371907.
  50. ^ A b C d Kandemir, Ali; Ozden, Ayberk; Cagin, Tahir; Sevik, Cem (2017). "Thermal conductivity engineering of bulk and one-dimensional Si-Ge nanoarchitectures". Věda a technologie pokročilých materiálů. 18 (1): 187–196. Bibcode:2017STAdM..18..187K. doi:10.1080/14686996.2017.1288065. PMC  5404179. PMID  28469733.
  51. ^ "Improved thermoelectric materials may give a push to Moore's law". KurzweilAI. 2. září 2013.
  52. ^ Voneshen, D. J.; Refson, K.; Borissenko, E.; Krisch, M.; Bosak, A.; Piovano, A.; Cemal, E.; Enderle, M.; Gutmann, M. J.; Hoesch, M.; Roger, M.; Gannon, L.; Boothroyd, A. T.; Uthayakumar, S.; Porter, D. G.; Goff, J. P. (2013). "Suppression of thermal conductivity by rattling modes in thermoelectric sodium cobaltate" (PDF). Přírodní materiály. 12 (11): 1028–1032. Bibcode:2013NatMa..12.1028V. doi:10.1038/nmat3739. PMID  23975057.
  53. ^ Nolas, G.S.; Goldsmid, H.J. (2002). "The figure of merit in amorphous thermoelectrics". Physica Status Solidi A. 194 (1): 271–276. Bibcode:2002PSSAR.194..271N. doi:10.1002/1521-396X(200211)194:1<271::AID-PSSA271>3.0.CO;2-T.
  54. ^ Goncalves, A.P.; Lopes, E.B.; Rouleau, O.; Godart, C. (2010). "Conducting glasses as new potential thermoelectric materials: the Cu-Ge-Te case". Journal of Materials Chemistry. 20 (8): 1516–1521. doi:10.1039/B908579C. S2CID  56230957.
  55. ^ Music, D.; Geyer, R.W.; Hans, M. (2016). "High-throughput exploration of thermoelectric and mechanical properties of amorphous NbO2 with transition metal additions". Journal of Applied Physics. 120 (4): 045104. Bibcode:2016JAP...120d5104M. doi:10.1063/1.4959608.
  56. ^ Fujimoto, Y .; Uenuma, M.; Ishikawa, Y.; Uraoka, Y. (2015). "Analysis of thermoelectric properties of amorphous InGaZnO thin film by controlling carrier concentration". Zálohy AIP. 5 (9): 097209. Bibcode:2015AIPA....5i7209F. doi:10.1063/1.4931951.
  57. ^ Zhou, Y .; Tan, Q.; Zhu, J .; Li, S .; Liu, C .; Lei, Y.; Li, L. (2015). "Thermoelectric properties of amorphous Zr-Ni-Sn thin films deposited by magnetron sputtering". Journal of Electronic Materials. 44 (6): 1957–1962. Bibcode:2015JEMat..44.1957Z. doi:10.1007/s11664-014-3610-7.
  58. ^ Takiguchi, H.; Yoshikawa, Z.; Miyazaki, H.; Okamoto, Y.; Morimoto, J. (2010). "The Role of Au in the Thermoelectric Properties of Amorphous Ge/Au and Si/Au Thin Films". Journal of Electronic Materials. 39 (9): 1627–1633. Bibcode:2010JEMat..39.1627T. doi:10.1007/s11664-010-1267-4. S2CID  54579660.
  59. ^ Ramesh, K. V; Sastry, D. L (2007). "DC electrical conductivity, thermoelectric power measurements of TiO2-substituted lead vanadate glasses". Physica B. 387 (1–2): 45–51. Bibcode:2007PhyB..387...45R. doi:10.1016/j.physb.2006.03.026.
  60. ^ Rowe 2005, Ch. 38.
  61. ^ A b Harman, T. C.; Taylor, PJ; Walsh, MP; Laforge, BE (2002). "Quantum dot superlattice thermoelectric materials and devices" (PDF). Věda. 297 (5590): 2229–32. Bibcode:2002Sci...297.2229H. doi:10.1126/science.1072886. PMID  12351781. S2CID  18657048.
  62. ^ Rowe 2005, Ch. 40.
  63. ^ Rowe 2005, Ch. 41.
  64. ^ A b Anno, Yuki; Imakita, Yuki; Takei, Kuniharu; Akita, Seiji; Arie, Takayuki (2017). "Enhancement of graphene thermoelectric performance through defect engineering". 2D Materials. 4 (2): 025019. Bibcode:2017TDM.....4b5019A. doi:10.1088/2053-1583/aa57fc.
  65. ^ A b Mu, X.; Wu, X.; Zhang, T .; Go, D. B.; Luo, T. (2014). "Thermal transport in graphene oxide—from ballistic extreme to amorphous limit". Vědecké zprávy. 4: 3909. Bibcode:2014NatSR...4E3909M. doi:10.1038/srep03909. PMC  3904152. PMID  24468660.
  66. ^ Cataldi, Pietro; Cassinelli, Marco; Heredia Guerrero, Jose; Guzman-Puyol, Susana; Naderizadeh, Sara; Athanassiou, Athanassia; Caironi, Mario (2020). "Green Biocomposites for Thermoelectric Wearable Applications". Pokročilé funkční materiály. 30 (3): 1907301. doi:10.1002/adfm.201907301.
  67. ^ Anno, Yuki; Takei, Kuniharu; Akita, Seiji; Arie, Takayuki (2014). "Artificially controlled synthesis of graphene intramolecular heterojunctions for phonon engineering". Physica Status Solidi RRL. 8 (8): 692–697. Bibcode:2014PSSRR...8..692A. doi:10.1002/pssr.201409210.
  68. ^ Chen, Shanshan; Li, Qiongyu; Zhang, Qimin; Qu, Yan; Ji, Hengxing; Ruoff, Rodney S; Cai, Weiwei (2012). "Thermal conductivity measurements of suspended graphene with and without wrinkles by micro-Raman mapping". Nanotechnologie. 23 (36): 365701. Bibcode:2012Nanot..23J5701C. doi:10.1088/0957-4484/23/36/365701. PMID  22910228.
  69. ^ Rowe 2005, Ch. 16, 39.
  70. ^ Rowe 2005, Ch. 39.
  71. ^ Rowe 2005, Ch. 49.
  72. ^ Minnich, A. J.; Dresselhaus, M. S.; Ren, Z. F.; Chen, G. (2009). "Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects". Energetika a věda o životním prostředí. 2 (5): 466. doi:10.1039 / b822664b. S2CID  14722249.
  73. ^ Biswas, Kanishka; He, Jiaqing; Zhang, Qichun; Wang, Guoyu; Uher, Ctirad; Dravid, Vinayak P.; Kanatzidis, Mercouri G. (2011). "Strained endotaxial nanostructure with high thermoelectric figure of merit". Přírodní chemie. 3 (2): 160–6. Bibcode:2011NatCh...3..160B. doi:10.1038/nchem.955. PMID  21258390.
  74. ^ Zhao, Li-Dong; Lo, Shih-Han; Zhang, Yongsheng; Sun, Hui; Tan, Gangjian; Uher, Ctirad; Wolverton, C.; Dravid, Vinayak P.; Kanatzidis, Mercouri G. (2014). "Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals". Příroda. 508 (7496): 373–7. Bibcode:2014Natur.508..373Z. doi:10.1038/nature13184. PMID  24740068. S2CID  205238132.
  75. ^ Zhang, H .; Talapin, D. V. (2014). "Thermoelectric Tin Selenide: The Beauty of Simplicity". Angew. Chem. Int. Vyd. 53 (35): 9126–9127. doi:10.1002/anie.201405683. PMID  25044424.
  76. ^ A b C Zhao, L-D.; Lo, S-H.; Zhang, Y .; Sun, H.; Tan, G.; Uher, C.; Wolverton, C.; Dravid, V.; Kanatzidis, M. (2014). "Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals". Příroda. 508 (7496): 373–377. Bibcode:2014Natur.508..373Z. doi:10.1038/nature13184. PMID  24740068. S2CID  205238132.
  77. ^ Zhao, Li-Dong; Lo, Shih-Han; Zhang, Yongsheng; Sun, Hui; Tan, Gangjian; Uher, Ctirad; Wolverton, C.; Dravid, Vinayak P.; Kanatzidis, Mercouri G. (2014). "Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in Sn Se krystaly ". Příroda. 508 (7496): 373–377. Bibcode:2014Natur.508..373Z. doi:10.1038/nature13184. PMID  24740068. S2CID  205238132.
  78. ^ Bernardes-Silva, Ana Cláudia; Mesquita, A.F.; Neto, E. de Moura; Porto, A.O.; Ardisson, J.D.; Lima, G.M. de; Lameiras, F.S. (2005). "XRD and 119Sn Mossbauer spectroscopy characterization of SnSe obtained from a simple chemical route". Bulletin materiálového výzkumu. 40 (9): 1497–1505. doi:10.1016/j.materresbull.2005.04.021.
  79. ^ Chen, C-L.; Wang, H .; Chen, Y-Y.; Daya, T.; Snyder, G. J. (2014). "Thermoelectric properties of p-type polycrystalline SnSe doped with Ag" (PDF). J. Mater. Chem. A. 2 (29): 11171. doi:10.1039/c4ta01643b.
  80. ^ Yazdani, Sajad; Pettes, Michael Thompson (2018-10-26). "Nanoscale self-assembly of thermoelectric materials: a review of chemistry-based approaches". Nanotechnologie. 29 (43): 432001. Bibcode:2018Nanot..29Q2001Y. doi:10.1088/1361-6528/aad673. ISSN  0957-4484. PMID  30052199.
  81. ^ He, Jian; Tritt, Terry M. (2017-09-29). "Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward". Věda. 357 (6358): eaak9997. doi:10.1126/science.aak9997. ISSN  0036-8075. PMID  28963228.
  82. ^ Wang, vápnění; Zhang, Zimeng; Geng, Linxiao; Yuan, Tianyu; Liu, Yuchen; Guo, Juchen; Fang, Lei; Qiu, Jingjing; Wang, Shiren (2018). "Solution-printable fullerene/TiS2 organic/inorganic hybrids for high-performance flexible n-type thermoelectrics". Energetika a věda o životním prostředí. 11 (5): 1307–1317. doi:10.1039/c7ee03617e.
  83. ^ U.S. Department of Energy (2015). "Quadrennial Technology Review 2015, Chapter 6: Innovating Clean Energy Technologies in Advanced Manufacturing" (PDF). Citováno 2020-11-17.
  84. ^ Kim, Fredrick; Kwon, Beomjin; Eom, Youngho; Lee, Ji Eun; Park, Sangmin; Jo, Seungki; Park, Sung Hoon; Kim, Bong-Seo; Im, Hye Jin (2018). „3D tisk tvarově přizpůsobivých termoelektrických materiálů s využitím anorganického Bi2Te3- inkousty na bázi “. Přírodní energie. 3 (4): 301–309. Bibcode:2018NatEn ... 3..301K. doi:10.1038 / s41560-017-0071-2. S2CID  139489568.
  85. ^ Orrill, Michael; LeBlanc, Saniya (2017-01-15). „Tištěné termoelektrické materiály a zařízení: Techniky výroby, výhody a výzvy: PŘEZKUM“. Journal of Applied Polymer Science. 134 (3). doi:10,1002 / aplikace 44256.
  86. ^ A b Zhang, Haidong; Hobbis, Dean; Nolas, George S .; LeBlanc, Saniya (2018-12-14). „Laserová aditivní výroba práškového teluridu vizmutu“. Journal of Materials Research. 33 (23): 4031–4039. doi:10.1557 / jmr.2018.390. ISSN  0884-2914.
  87. ^ Kim, Fredrick; Kwon, Beomjin; Eom, Youngho; Lee, Ji Eun; Park, Sangmin; Jo, Seungki; Park, Sung Hoon; Kim, Bong-Seo; Im, Hye Jin; Lee, Min Ho; Min, Tae Sik (duben 2018). „3D tisk tvarově přizpůsobivých termoelektrických materiálů pomocí anorganických inkoustů na bázi Bi 2 Te 3“. Přírodní energie. 3 (4): 301–309. doi:10.1038 / s41560-017-0071-2. ISSN  2058-7546.
  88. ^ A b Champier, Daniel (2017). "Termoelektrické generátory: Přehled aplikací". Přeměna a správa energie. 140: 162–181. doi:10.1016 / j.enconman.2017.02.070.
  89. ^ Tritt, Terry M .; Subramanian, M. A. (2011). „Termoelektrické materiály, jevy a aplikace: Pohled z ptačí perspektivy“ (PDF). Bulletin MRS. 31 (3): 188–198. doi:10.1557 / mrs2006.44.
  90. ^ Labudovic, M .; Li, J. (2004). "Modelování TE chlazení laserů čerpadel". Transakce IEEE na komponenty a balicí technologie. 27 (4): 724–730. doi:10.1109 / TCAPT.2004.838874. S2CID  32351101.
  91. ^ A b Yang, J. (2005). "Potenciální aplikace termoelektrického rekuperace odpadního tepla v automobilovém průmyslu". ICT 2005. 24. mezinárodní konference o termoelektrice, 2005. p. 170. doi:10.1109 / ICT.2005.1519911. ISBN  978-0-7803-9552-7. S2CID  19711673.
  92. ^ Fairbanks, J. (2006-08-24) Termoelektrický vývoj pro automobilové aplikace, Americké ministerstvo energetiky: Energetická účinnost a obnovitelná energie.
  93. ^ Goldsmid, H.J .; Giutronich, J. E.; Kaila, M.M. (1980). „Thermoelectrics: Direct Solar Thermal Energy Conversion“ (PDF). Solární energie. 24 (5): 435–440. Bibcode:1980SoEn ... 24..435G. doi:10.1016 / 0038-092X (80) 90311-4.

Bibliografie

  • Rowe, D.M. (03.10.2018). Příručka termoelektriky: Makro až Nano. CRC Press. ISBN  978-1-4200-3890-3.CS1 maint: ref = harv (odkaz)

externí odkazy