O desenvolvimento de energia renovável é uma política nacional bem estabelecida de nosso país e a chave para garantir a estabilidade econômica e o desenvolvimento sustentável. Cerca de 80% das usinas de energia global usam energia térmica para gerar eletricidade. No entanto, a eficiência média destas plantas é de apenas ~ 30% e ~ 15 TWT A perda de calor para o meio ambiente, se esta parte da reciclagem de energia, pode efetivamente aliviar os atuais problemas energéticos e ambientais. Os materiais termoelétricos como núcleo da tecnologia de conversão termoelétrica não podem depender de nenhuma força externa 'quente' e 'eletricidade' são duas diferentes A conversão direta de energia na forma atraiu muita atenção dos campos científico e industrial. Especialmente nos últimos anos, uma nova geração de sistemas inteligentes de microanternas, como dispositivos portáteis e implantáveis, precisa urgentemente do desenvolvimento de micro-watt-milliwatt auto-alimentado Tecnologia para substituir as baterias recarregáveis tradicionais para atender a sua tecnologia para a miniaturização, alta densidade, alta estabilidade e confiabilidade do desenvolvimento dos materiais termoelétricos, temperatura do corpo humano e diferença de temperatura ambiente entre a geração de energia, tornou-se um dispositivo eletrônico inteligente portátil desde Tecnologia de fornecimento de energia e soluções eficazes.
Por um lado, em comparação com outros tipos de formas de conversão de energia, a eficiência de conversão da tecnologia termoelétrica não é alta, apenas ~ 10%, restringindo seriamente o desenvolvimento da indústria de tecnologia termoelétrica. O desempenho do material termoelétrico pode ser medido por zT:
zT = S 2σT / (κe + κL)
Onde S é o coeficiente Seebeck do material, σ é a condutividade elétrica, T é a temperatura operacional, κe e κL são as condutas térmicas de elétrons e fonões, respectivamente. Devido à limitação das propriedades físicas intrínsecas, os vários parâmetros que determinam o valor zT estão relacionados um ao outro, De modo que o coeficiente de mérito dos materiais termoelétricos é difícil de melhorar significativamente.
Por outro lado, para manter a diferença de temperatura e fazer pleno uso da geração de energia térmica, os materiais / dispositivos termoelétricos precisam estar intimamente ligados à superfície da fonte de calor, no entanto, em aplicações práticas, tanto a superfície do corpo como o tubo de fonte de calor apresentam mudanças geométricas complexas na curvatura. o material termoeléctrico inorgânico, devido à sua fragilidade intrínseca, não pode satisfazer as exigências da fonte de calor em contacto próximo com a mudança de curvatura da superfície, de modo que a fonte de calor e o material termoeléctrico / perda de calor entre o dispositivo está numa gama maior. além disso a sua própria figura termoeléctrico de mérito do material termoeléctrico, tais A perda de energia térmica causada pelo mau contato entre a fonte de calor e o material termoelétrico tornou-se um dos principais fatores que restringem o desenvolvimento da tecnologia termoelétrica existente.
Assim, o aumento do coeficiente de Seebeck explorar os efeitos de escala por liga, a regulação barreira energia interfacial ou semelhante, concebida multiescalar espalhamento defeito fonão é suprimida estratégias para melhorar o desempenho da conversão termoeléctrica, tais como a condutividade térmica, e o desenvolvimento de um novo material termoeléctrico de alto desempenho e um flexível A tecnologia de preparação de dispositivos, a pesquisa sobre o mecanismo de melhorar a fragilidade intrínseca dos materiais termoelétricos inorgânicos tornaram-se as dificuldades globais e as questões mais frequentes no campo atualmente.
Instituto de Pesquisa de Metal, Academia Chinesa das Ciências, Shenyang, Laboratório Chave do Estado da Ciência dos Materiais. A equipe do projeto Kaiping está comprometida com o projeto da escala atômica e a preparação de microestrutura altamente pedida de materiais e dispositivos termoelétricos de película fina. O uso da tecnologia física de deposição de vapor para controlar os grãos adjacentes Para os limites de grão de inclinação de ângulo pequeno, pela primeira vez para obter uma grande área de preparação de orientação no plano e fora do plano são altamente texturizados Bi 2Te 3película Termoelétrica. Estudos têm mostrado que os limites de grãos de pequeno ângulo pode ser suprimida inclinando portadores no seu espalhamento de sub-superfície melhorada condutividade eléctrica, enquanto se mantém a dispersão de condutividade térmica de fonão é reduzida, melhorando significativamente o desempenho da conversão termoeléctrica, a preparação de Bi alta 2Te 3Um método efetivo de material termoelétrico de película fina.
Figura 1. Depósito de magnetron não em equilíbrio para a preparação de limites de grão inclinado de ângulo pequeno 2Te 3material de película SEM (a), MET (b) a análise da microestrutura fina película piroeltrico e microscopia óptica refrigerador análise (c), o passo de análise instrumento topografia (d) e uma estrutura esquemica de um refrigerador (e) - (f)
Com base nas técnicas descritas acima em conexão com a plataforma de precisão laser de processamento microbeam equipe de design de construção, desenvolvido Bi 2Te 3liga Microrefrigerator película fina, uma espessura de 25 um a termoeléctrico ~, tamanho de superfície mínima de ~ 200 × 200 um, fluxo de arrefecimento é de micro ~ 40W / cm 2O dispositivo de gestão de temperatura que tem um campo de perspectivas de aplicação de largura microssistema, tais como ponto de chip da CPU arrefecimento, controlo de temperatura diodo laser miniatura, etc. O trabalho para conseguir um avanço em filme termoeléctrico processamento preparação campo doméstico microrefrigerator 2017 atribuído Prêmio materiais Conference China 'excelentes materiais e dispositivos termoelétricos parede ramo de exposições, um pedido de patente, a autorização 2.
O primeiro grupo utiliza uma técnica de crepitação de magnetrão desequilibrada, um papel de celulose como substrato, a preparação de um material termoeléctrico de telureto de bismuto compósito de películas de multi-escala estruturas de poros micrómetros e nanómetros, como mostrado na FIG.
A Figura 2 uma vista esquemica de design da estrutura de poro de multi-escala e celulose /
Bi 2Te 3Caracterização SEM de Materiais Termoelétricos Flexíveis Compostos
Estudos têm demonstrado que, devido às características de uma técnica de crepitação de magnetrão desequilibrada, em combinação com interface de película de telureto de bismuto de celulose perto, depositada com uma espessura nominal de até várias dezenas de micrómetros, pode efectivamente reduzir a resistência interna do dispositivo de película fina, para aumentar a eficiência da conversão termoeléctrica de saída; Celulose / Bi 2Te 3Estrutura de rede única, estrutura de poros multi-escala e Bi 2Te 3O efeito de escala de filme dá celulose / Bi 2Te 3exposições compósitos boa flexibilidade flexão; estrutura porosa multi-escala do filme compósito termoeléctrico pode eficazmente reduzir a dispersão dos valores de condutividade térmica de fonões, tão próximo da condutividade térmica mínima da teoria Bi2Te3; de Bi 2Te 3A presença da camada de superfície da película de óxido intrínseca, quando a película de suporte, quando a transmissão entre celulose vizinha Bi2Te3 segmentada da superfície, a camada de óxido pode ser dispersado na interface foi filtrada baixo portador de energia, o coeficiente de Seebeck significativamente melhoradas. Assim, a celulose / Bi 2Te 3O valor ZT do compósito à temperatura ambiente até 473K pode atingir 0.24-0.38 e espera-se que seja melhorado pela otimização da concentração do operador. O material termoelétrico flexível composto é adaptado e integrado com o dispositivo de demonstração usando uma plataforma de laser de micro-ondas de alta precisão Com base neste "gerador" termoelétrico composto flexível, este trabalho oferece novas idéias e soluções para explorar novos materiais termoelétricos flexíveis de alto desempenho e abre uma nova direção para o desenvolvimento prático de dispositivos termoelétricos flexíveis.
O trabalho de pesquisa foi apoiado pelo Fundo Nacional de Ciência Natural da Juventude, os Fundos na Superfície eo Programa "Cem Talentos" da Academia Chinesa de Ciências.
Figura 3. Celulose /
Bi 2Te 3Propriedades termoelétricas (a-d) e propriedades flexíveis de flexão de materiais compostos
Figura 4. Análise XPS de compósitos de telureto de bismuto de poro multi-escala e análise de imagem de raio X em nanoescala 3D de materiais de película fina composta e filtragem de barreira de interface diagrama de efeito de transportador de baixa energia
Figura 5. Materiais termoelétricos flexíveis compósitos nas propriedades elétricas de flexão in situ do teste e uso da temperatura do corpo humano e a diferença de temperatura entre a formação de tensão térmica
Figura 6. Projeto esquemático da estrutura do dispositivo do gerador termoelétrico flexível e demonstração da demonstração da recuperação da geração de energia de calor residual