将热量转化为能量的固态设备一向以效率低下著称。新材料最终可能会改变这种平衡。
利兰Teschler•执行主编
据估计,美国消耗的61%的能源都被热量消耗了。因此,难怪人们有兴趣寻找方法来收集这些损失,并将余热转化为有用的东西。研究越来越多的一种方法是热电材料,即利用热差发电的材料。
热电发电机的典型例子是Peltier模块。虽然Peltier模块通常被用作固态冷却设备,但它们也可以用作发电机。在这里,设备的一侧被加热到比另一侧更高的温度。由于塞贝克效应,电压的差异会在两边之间形成。
但有几个问题限制了佩尔蒂埃热电发生器的可行性。一是TEGs的典型效率只有5-8%左右。现代器件使用由碲化铋(Bi .)制成的高掺杂半导体2Te3.)、碲化铅(PbTe)、氧化锰钙(Ca2锰3.O8)或它们的组合取决于温度。其中一些材料可能很昂贵。最后,Peltier模块通常需要较高的温度才能产生大量的电力。基于铋、锑、碲或硒的合金被认为是低温热电材料,但喜欢看到300°F以上的温度。基于铅合金的热电器件的工作温度可达1000华氏度,硅锗热电器件的工作温度可达1800华氏度。因此,Peltier热电发生器往往只用于低功率的远程应用。
然而,人们对设计能够在较低温度下工作并能更有效地将热能转化为电能的热电装置有着极大的兴趣。研究在两个主要领域取得进展:在较低温度下发电的材料,以及将热体发出的红外辐射转化为电流的设备结构。
为了理解这一工作的方向,有必要了解热电材料的性能指标,通常用ZT=S表示2σT /κ。其中,S为塞贝克系数,σ为电导率,T为工作温度,κ为导热系数。中国北京航空航天大学(beijing hang University)的研究人员表示,改进ZT很难,因为在其中一个参数上进行改进往往会导致其他一个或多个参数走向错误的方向。因此,目前许多改善ZT的策略只能在很窄的温度范围内起作用。
限制热电性能的一个因素是禁带,即热电材料电子的离散能量。带隙由Es=2e给出马克斯其中e是单位电荷S马克斯为最大塞贝克系数,T为温度对应的S马克斯.塞贝克系数主要测量温度梯度产生的电压(S=ΔV/ΔT)。
为了获得一种工作在几百度范围内的热电材料,通常的方法是使用几种带隙都很窄的材料或一种带隙很宽的材料。在采用几种窄带隙材料的热电学中存在材料失配的实际问题,因此目前比较典型的方法是使用宽带隙材料,如带隙能量约为0.86 eV的硒化锡(SnSe)。北航的研究人员报告称,发现SnSe在80 - 980ºF范围内存在热电效应。
然而,带隙宽的材料也有另一个问题,这可能会限制它们作为热电材料的效用:它们往往具有较低的载流子密度,即可用的载流子太少,以支持显著的电流流动。解决这一问题的方法是用分层的方式设置SnSe晶体材料的取向,使更多的载流子可用。
北京航空航天大学的研究人员表示,他们已经用这种方法发现了几种有前景的热电材料,包括BiCuSeO和BiSbSe3.K2Bi8Se13和某人2如果2Te6.但他们警告说,将具有高ZT值的材料制成商业设备可能具有挑战性,尤其是可以在高温下工作的设备。其中一个问题是:用于电接触的材料的电阻率会随着时间的推移而增长,尤其是在高温环境下。
收获热光
特定温度下的物体根据其表面温度散发热量。例如,太阳的表面温度为6050°C。光伏电池将这种辐射能转化为电能。
当然,大多数陆地热源的温度要比太阳低得多。根据维恩定律,当黑体光源的温度下降时,其峰值功率的波长会上升,因此在100 ~ 400°C之间的光源温度在热红外范围(7 ~ 12 μm波长)有一个光谱。据估计,美国95%以上的废热都在400°C(752°F)以下。
问题是,普通的光伏电池不能有效地将这种光转化为电能。光伏电池基本上是一个p-n二极管收集的光子产生二极管的反向电流。但是光伏电池的发电能力取决于其材料的带隙;如果吸收的光的能量低于(典型的)硅光电二极管的带隙能量,光伏效应就不会发生。室温下硅的禁带能为1.12 eV,截止波长为1.1 μm。
为了创造一种能够更好地检测中程红外光波的光电二极管,一种方法是使用一种特殊类型的超高速二极管结构,称为隧道结二极管,来校正红外。它不像普通光伏电池那样从光子中产生电荷载体,而是像高速二极管整流无线电波那样,通过隧道来整流光波。
隧道二极管的特征是强掺杂,二极管p型材料的费米能级位于价带以下,而其n型材料的费米能级位于导带以上。这种结构的量子力学是复杂的,但这种结构的重点是它通过P-N结的量子隧穿产生电流。(它在IV特性中也有一个区域显示负电阻:当电压增加时,通过隧道结二极管的电流减少。)
迄今为止,大多数热电转换设备在1000°C以上的温度下工作最佳。事实证明,要制造出能在低于这个温度下正常工作的设备非常困难。其中一个原因是,在极端高温环境下,可以处理的光子比在高温环境下要少。
尽管如此,在低温热电生伏器件方面仍有很有前景的发展。Sandia国家实验室最近发明的一种设备被称为双极MOS隧道结二极管。该设备使用一个光学光栅将光耦合到一个小(3-4纳米)面积的SiO2势垒产生的集中电磁场驱动光子辅助隧穿电子从掺杂的p型硅到n型硅部分。
桑迪亚装置使用了所谓的光子辅助隧穿,即光子在金属栅极费米能级附近的已占据态被吸收,然后场增强隧穿进入硅的未占据态。其结果是产生很小的直接光电流。类似的时间反转过程发生在半导体中,导致回流电流进入金属栅极。总的直流电是由于这两种电流之间的差异,这源于金属和半导体中电子的有效质量的差异。
桑迪亚的研究人员设计了一种特殊的电路结构来利用光子辅助隧穿效应。他们在隧道栅电极下使用一种交叉的双极P-N结阵列,作为电荷泵将电子从p型区域移动到n型阱。
这个实验装置产生的功率很小。研究人员表示,他们看到的峰值功率密度为27 μW/cm2用于250和400°C和61 μW/cm的热源2在350°C。产生的开路电压在几毫伏的范围内。研究人员还表示,他们可以通过改变所涉及的半导体和金属层的厚度来调整设备最有效的温度。
这种装置的能量转换效率是适度的。研究人员说,这个数字是0.4%,但有一些方法可以改进,比如使用略微不同的栅介质和集热设计。此外,实验设备是在CMOS平台上制造的,这可能最终使大规模生产成为可能。DW
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