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《Science》!熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM助力客戶文章登上期刊

時間:2021-8-25閱讀:1139

導(dǎo)讀:當(dāng)今,化石能源短缺和環(huán)境污染問題凸顯,能源的多元化和高效多用成為解決能源與環(huán)境問題的個重要途徑。作為種綠色能源技術(shù)和環(huán)保型制冷技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是用材料的塞貝克效應(yīng)與帕爾貼效應(yīng)將熱能和電能進行直接轉(zhuǎn)換的技術(shù),包括熱電發(fā)電和熱電制冷。這種技術(shù)具有系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣等點。熱電器件可以實現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換,在廢熱回收和固態(tài)制冷域具有重要的研究價值,對熱電發(fā)電器件的能量轉(zhuǎn)換效率進行精確測量是評價熱電材料和器件性能的重要基礎(chǔ)。

熱電材料性能指標(biāo)的關(guān)鍵在于能源轉(zhuǎn)換效率,其由材料的無量綱熱電性能值(ZT值)決定。由ZT值的定義式(ZT = (Sσ/κ)T)可知,在給定溫度T下,高性能熱電材料應(yīng)具有大的塞貝克系數(shù)S、高的電導(dǎo)率σ和低的熱導(dǎo)率κ。然而,這些熱電參數(shù)相互之間具有強烈的耦合關(guān)系,使得熱電材料的性能化具有很大挑戰(zhàn)性,調(diào)控這些強烈耦合的復(fù)雜熱電參數(shù)是提高材料ZT值和熱電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。隨著熱電材料域的研究越來越受重視,不斷涌現(xiàn)出了諸多提升ZT值的有效策略:化載流子濃度以提高電導(dǎo)率;調(diào)整電子能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)等化電傳輸性能;通過引入點缺陷、位錯、晶界、納米沉淀物等進行多尺度分層架構(gòu)設(shè)計以降低熱導(dǎo)率;探索和開發(fā)具有本征低熱導(dǎo)率性的新材料體系;通過高通量及基于基因計算等預(yù)測潛在熱電材料等。

 

近日,北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授團隊與南方科技大學(xué)、清華大學(xué)及武漢理工大學(xué)的科研團隊合作,通過摻雜Pb,顯著提高了p型SnSe晶體室溫附近的電傳輸性能。該工作以《Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments》為題目發(fā)表在《Science》上。

 

 

以往研究中,多選用窄帶隙或半金屬材料作為熱電制冷材料,趙立東教授課題組則主要開發(fā)寬帶隙熱電材料,用各向異性調(diào)和電輸運與熱輸運的矛盾。該研究通過在動量空間和能量空間同時作用的多價帶協(xié)同傳輸策略,實現(xiàn)了p型SnSe晶體熱電性能的顯著提升;并制備了基于SnSe晶體材料的熱電器件,測試其溫差發(fā)電性能(大發(fā)電量及功率),還實現(xiàn)了大溫差的電子制冷。這研究表明SnSe基晶體材料在溫差發(fā)電和電子制冷方面有巨大潛力,使用p型SnSe晶體制備的器件,其制冷性能達到了使用傳統(tǒng)BiTe基材料商用器件的70%(210K溫差下),但SnSe基熱電材料具有成本低、重量輕且儲量更加豐富等勢,具備十分巨大的應(yīng)用價值。

 

圖1. 使用PEM-2測得的溫差發(fā)電器件性能:電壓(A)和輸出功率(B)

 

以上工作中,材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM-3測得,熱電轉(zhuǎn)換器件(TEG)的發(fā)電量、輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM-2測得。

 

圖2. 使用PEM-2測得的溫差發(fā)電器件的轉(zhuǎn)換效率

 

日本Advance Riko公司已業(yè)從事“熱”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)近60年,并直走在相關(guān)域的前端,為各地的科學(xué)研究及生產(chǎn)活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數(shù)測量等系統(tǒng)。2018年初,Quantum Design 中國公司將日本Advance Riko公司的新進熱電材料測試設(shè)備:小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM及大氣環(huán)境下熱電材料性能評估系統(tǒng)F-PEM引進中國。

 

2018年7月,Quantum Design中國與日本Advance Riko達成協(xié)議,作為其熱電材料測試設(shè)備在中國的du家代理繼續(xù)合作,攜手將日本Advance Riko進的熱電相關(guān)設(shè)備介紹到中國。

 

目前,所有中國用戶購買的日本Advance Riko熱電產(chǎn)品,均由Quantum Design中國公司的工程師團隊負責(zé)安裝及售后服務(wù)。同時,Quantum Design 中國公司在日本Advance Riko公司的協(xié)助下,在北京建立部分熱電設(shè)備示范實驗室和用戶服務(wù)中心,更好的為中國熱電技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。

 

參考文獻:

[1] Qin Bingchao et al., Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments, Science 30 Jul 2021: Vol. 373, Issue 6554, pp. 556-561

[2] 《Science》刊發(fā)北航趙立東教授課題組在電子制冷材料研究上的新進展,北京航空航天大學(xué)新聞網(wǎng)

[3] 南科大何佳清團隊在Science發(fā)表SnSe熱電材料和器件重要成果,南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)


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相關(guān)產(chǎn)品:

1、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)-ZEM

2、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)-PEM

3.小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM

4.大氣環(huán)境下熱電材料性能評估系統(tǒng)F-PEM

 

 

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