结论与展望 22

参考文献 24

研究成果 27

1 绪论

1。1 引言

能源是现如今全球关注的焦点，是人们现代衣食住行生活的基础，其中与人类生产生活息息相关的便是电能，而在现在发电仍依赖不可再生的化石能源，这些有限的能源在给我们带来便利、使我们生活更加美好的同时，也潜藏着巨大的隐患——环境污染。正如近几年严重的雾霾问题，使许多健康人群患上呼吸道等疾病，因此解决环境污染、克服对化石能源的依赖性已迫在眉睫。为了解决电能供应问题，科学家们已经有了众多研究，正如风力发电、太阳能发电、地热发电一样，热电也是一种绿色能源，但是目前热电材料的性能仍较低，因此开发性能更好的热电材料是近年来科学家们的研究热点[1]。

1。2 热电效应

热电材料具有一种特殊性质，通过其内部载流子的运动可以实现电能与热能相互转换，这便是热电效应，包括电流引起的热效应与温差引起的电效应，又叫做塞贝克效应与汤姆逊效应。正是由于热电材料有这样特殊性质，人们使用其制作的热电器件也有许多优点，例如无污染、低噪音并且结构简单、坚固、耐用。热电器件包括热电发电和热电制冷两类，基本工作原理如图1。1 所示。 将n 型半导体与p 型半导体其中一端在温度较高环境中形成闭合回路，另一端在较低温度下开路，由于温度较高一端能量较高，使得其内部电子浓度与空穴浓度较高，从而使材料内部载流子浓度产生梯度，在载流子浓度梯度的驱动下，电子与空穴向温度较低一端定向移动，此时温度较低一端尚为开路，便形成一定的电势差[2]。

热电优值(ZT)对热电能量转换效率具有至关重要的作用，其计算公式如下：

ZT = S2Tσ/κ

其中S为材料的塞贝克(Seebeck)系数(单位：μV/K)，σ为材料的电导率(单位：S/cm)，T为材料的工作温度（单位：K），κ为材料的热导率［单位：W/(m·K)］。由此可知，材料获得优异的热电性能必须具有塞贝克系数大、电导率高及热导率低等特点[3]。

图1。1 热电材料的基本工作原理

1。3 热电材料的应用

1。3。1 温差发电

目前，我国大规模发电仍由热能转化而来，如火电厂与核电厂发电，并且这些部门所利用的转化方式能量利用率较低，主要原因是能量的二次转换，首先要利用热能来加热液体产生蒸汽的方式驱动汽轮机发电。该方式不仅过程复杂而且设备价格昂贵，损坏后维护困难，更重要的是无法避免对环境的污染。我国自改革开放以来经济飞速发展，经济持续高速增长的代价便是能源的巨大消耗，但值得关注的一点便是能源的利用率。据不完全统计，来自工业、车辆的余热和废热便占其总产生能量的三分之二，倘若将其利用，所产生的能量实为可观。在发达国家，通过热电技术将废热回收利用已经得到了一定应用，与传统发电方式不同，其不消耗现有能源，仅仅是将废热与余热进行利用从而进行温差发电，这不仅解决了能源紧缺问题，又减少了环境污染问题，确实值得研究与发展应用。据报道，若在发电站的炉膛内部安装热电转换装置，便可提升5%-7%的发电效率，若小型焚烧发电站直接采用温差发电方式直接将燃烧热转化成电能，不仅省去中间驱动环节，节省了设备成本，同时又可以提高能量利用率[4]。

1。3。2 太空探测

上世纪40年代，前苏联研究并制造出了温差发电机，其热电转换效率约为5%，正是由于该技术的问世，使得向外太空领域的长久探索变为可能，因为在遥远的外太空，能接收到太阳的热辐射很小，使得太阳能电池无法长时间稳定工作，因此长久稳定且无人维护的供电装置便是研究关键，温差发电器件便解决了这个难题，该装置由钚元素衰变为温差发电装置提供持久稳定的热能，保证了其供电的稳定性。美国于上世纪70年代时发射的探测器Voyager 1探测器便使用类似的装置供电，目前仍在正常工作，并且是目前距离地球最远的飞行器。如人造飞行器一样的许多无人维护的设备器件，都需要持久稳定的供电装置，由热电材料制成的温差发电器件便是简单方便的选择[5]。