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摘要热电材料能将废热余热转变为可以用的电能而引起极大的关注。其中CoSb3方钴矿热电材料具有独特的晶体结构和优良的中温区热电性能近年来被广泛的研究。但其热电优值ZT不高并不足以商业化应用，对CoSb3方钴矿进行掺杂被认为是一种改善热电优值的有效方法。本文利用真空感应熔炼法合成In，Pr双掺杂CoSb3方钴矿材料，并对其的热电性能进行测量，其中In0.05Pr0.05Co4Sb12在609K时功率因子最高，达到了2.33 mWm-1 K-2，比In单掺杂高了三倍。说明In，Pr双掺杂使其热电性能得到提升。同时本文用第一性原理计算定性地验证了In，Pr双掺杂对费米能级有提升作用，并且发现In的5p轨道和Pr的3s轨道在导带底部产生局域电子共振态叠加，这被认为是Seebeck系数较In单填充进一步提升的原因。19597
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关键词 热电材料 方钴矿 双填充 功率因子 第一性原理
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Title The Enhancement of CoSb3 Skutterudites
Thermoelectric Performance
Abstract
Thermoelectric Materials draw much attention since they can convert the waste heat into available electric power. Among the thermoelectric family, CoSb3 Skutterudites are studied widely due to the special crystal structure and potentially high middle-range-temperature thermoelectric performance. But the figure of merit (ZT) of CoSb3 is inadequate to commercial use. In order to enhance ZT, doping foreign species into CoSb3 lattice became a viable way. In, Pr double-filled CoSb3 samples were synthesized via vacuum induction melt method in this paper, the power factor of In0.05Pr0.05Co4Sb12 achieving 2.33 mWm-1 K-2 at 609K ,which is the largest, is roughly three times that of corresponding InxCo4Sb12 skutterudites. That demonstrates double filler (In,Pr) can promote thermoelectric property. Moreover, by First Principle calculation , we find that the In, Pr double-filling can promote the Fermi level and cause the addition of resonant states near the edge of conduction band by In’s 5p orbital and Pr’s 3s orbital, which, we think, leads to higher Seebeck coefficient than In single-filled CoSb3.
Keywords Thermoelectric material, Skutterudites, Double-filling,
Power factor First Principle
目 录
１. 绪论 1
1.1引言 2
1.2热电效应的基本原理和性能参数 2
1.3各类热电材料体系简介...........6
1.4 方钴矿热电材料的研究进展 7
1.5选题的目的和主要研究内容 8
２. 研究方法与实验设备 9
2．1热电材料的制备方法及设备 9
2．2热电材料的组成表征方法及设备 11
2．3热电材料的性能评价方法及设备 12
３. 铟镨双填充方钴矿热电材料的制备与热电性能分析 14
3.1 InxPr0.05Co4Sb12热电材料的制备 14
3.2 样品制备的思考总结 14
3.3 InxPr0.05Co4Sb12热电材料的表征 16
3.4 InxPr0.05Co4Sb12热电材料的热电性能 17
3.5热电性能模拟分析 21
４. 结论与展望 29
4.1 结论 29
4.2 展望 30
致谢 32
参考文献 33
１ 绪论
1.1引言
随着世界范围内各国的工业化程度的发展，人类对煤，石油，天然气等传统化石能源的使用需求逐年增加，由此引起的能源短缺问题以及传统能源燃烧排放的二氧化碳造成的全球气候变化和环境问题亦令人堪忧。所以如果有新的技术发明能够极大的提高能源的转化利用率，能实现能源的回收利用并从环境中转化可再生能源生产电能将有效的缓解目前面临的严峻形式。据此，为实现收集和再利用那些被传统方法所浪费掉的能源的一门综合性学科在环境保护与能源利用的需求刺激下迅猛发展[1]。