热电转换 热电转换设备

想象一下,炎炎夏日,你躺在空空调房里,但和以前不同的是,给空空调供电的是太阳热能,而不是非常规电力。随着热电技术的进步,这种可持续的供电方案总有一天会成为现实。

热电装置使用温差材料,无需任何机械运动就能将温差转化为电能——这是热电最吸引人的特点。热电效应是可逆的:如果热电装置通电,就会产生温差。目前热电器件应用在小功率设备中,如输油管道中小型传感器的电源,空之间探测器的备用电源,迷你冰箱等。

但是科学家们希望设计出更强大的设备来收集工业过程和内燃机产生的废热,并将这些废热转化为电能。然而,目前热电装置的效率,或者说它们产生的能量是非常有限的。

热电转换 热电转换设备插图

最近,麻省理工学院的研究人员可以通过一种具有独特电学特性的“拓扑”材料将热电设备的效率提高三倍。虽然之前的研究表明拓扑材料可以应用于高效的热电系统,但当时研究人员并不清楚拓扑材料中的电子是如何响应温差而产生热电效应的。

“我们发现,我们可以以某种方式扩展纳米结构材料的边界,这样拓扑材料就可以成为良好的热电材料,比硅等半导体的性能更好,”麻省理工学院机械工程系博士后特-刘欢说。“最终,这种清洁能源将帮助我们利用热源发电,减少碳排放。”

目前,该研究由美国能源部固态太阳热能转换中心和美国国防高级研究计划局(DARPA)资助。

自由行程

当热电材料被置于温度梯度中时,例如一端是热的,另一端是冷的,材料中的电子开始从热端流向冷端,从而产生电流。温差越大,电流越强,产生的电就越多。对于给定的材料,产生的能量取决于材料的电子传输特性。

科学家们观察到,一些拓扑材料可以通过纳米架构制成高效的热电器件。科学家可以利用这项技术在纳米尺度上合成具有特定性能的材料。科学家曾经认为拓扑材料的热电优势在于纳米结构的低热导率。然而,热电效率的提高与材料固有的拓扑性质之间的关系尚不清楚。

为了回答这个问题,刘博士和他的同事们研究了碲化锡的热电特性。拓扑材料碲化锡是公认的良好热电材料。碲化锡材料中的电子还展现出另一个独特的特性,该特性类似于狄拉克材料的特性。

该团队希望通过模拟电子穿过材料的方式,了解纳米架构如何影响碲化锡的热电特性。为了正确表征电子的传输,科学家通常使用“平均自由程”来测量,即给定能量的电子在被散射之前在材料中的平均前进距离。

纳米结构材料类似于微小晶体的组合,每个晶体都有一个边界,叫做晶界。晶界将晶体彼此分开。电子的平均自由程长度强烈散射,就像子弹从墙上反弹一样。然而,平均自由程短的电子受影响较小。

在模拟中,研究人员发现碲化锡的电子特性对其平均自由程有显著影响。他们绘制了碲化锡材料中电子的平均自由程与能量的关系曲线,发现获得的图像与大多数传统半导体图像有很大不同。具体来说,对于碲化锡等拓扑材料,结果表明高能电子的平均自由程短,低能电子的平均自由程长。

随后,研究团队总结了不同能量和平均自由程的电子堆的热电效应的贡献,并分析了这些电子特性如何影响碲化锡的热电特性。结果表明,当存在温度梯度时,材料的电导率,或产生电流的能力,很大程度上取决于电子能量。

特别是他们发现低能电子对电压差有负面影响,所以也会影响电流。这些低能电子具有更高的平均自由程,这意味着它们比高能电子具有更强的晶界散射。

减少尺寸

随着模拟的进行,研究小组考虑了碲化锡晶体的大小,以了解在温度梯度下单晶的大小是否对电流有影响。研究人员发现,当平均晶粒尺寸减小到10纳米以下时,晶界更加紧密,高能电子的贡献增加。

也就是说,晶粒越小,高能电子对材料导电性的贡献越大,其平均自由程越短,越不容易与晶界发生散射。结果,可以产生更大的电压。

而且,研究人员发现,当碲化锡颗粒的平均尺寸减小到大约10纳米时,该材料产生的功率是大颗粒的3倍。

刘博士表示,虽然该结果是基于模拟实验,但研究人员可以通过合成碲化锡等拓扑材料并通过纳米技术调整晶粒尺寸来实现相同的热电性能。一些研究人员认为,减小材料的晶粒尺寸可能会提高其热电性能。但刘博士说,许多人假设的最佳尺寸远大于10纳米。

“在模拟中,我们发现拓扑材料的晶粒尺寸可以减少到比以前想象的小得多的尺寸,正是基于这一点,我们可以提高其效率,”刘博士说。

碲化锡只是众多拓扑材料中的一种,还有很多有待探索。如果研究人员能够找出每种材料的最佳晶粒尺寸,拓扑材料将很快成为清洁能源的有效替代品。

“我认为拓扑材料是很好的热电材料,我们的结果也表明它是一种很有前途的材料,”刘博士说。

免责声明:本站所有文章内容,图片,视频等均是来源于用户投稿和互联网及文摘转载整编而成,不代表本站观点,不承担相关法律责任。其著作权各归其原作者或其出版社所有。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容,侵犯到您的权益,请在线联系站长,一经查实,本站将立刻删除。

本文来自网络,若有侵权,请联系删除,作者:青岛热电,如若转载,请注明出处:https://cnautoinfo.com/571.html

发表回复

登录后才能评论