Развитие возобновляемых источников энергии - это хорошо зарекомендовавшая себя национальная политика нашей страны и ключ к обеспечению экономической стабильности и устойчивого развития. Около 80% глобальных энергостанций используют тепловую энергию для выработки электроэнергии. Однако средняя эффективность этих установок составляет лишь ~ 30%, а ~ 15 ТВт Потери тепла в окружающую среду, если эта часть рециркуляции энергии, могут эффективно смягчить текущие выдающиеся энергетические и экологические проблемы. Термоэлектрические материалы как основа технологии термоэлектрического преобразования не могут полагаться на какие-либо внешние силы «горячая» и «электрическая» - это две разные Прямое преобразование энергии в форму привлекло большое внимание со стороны научных и промышленных областей. Особенно в последние годы новое поколение интеллектуальных микронано электронных систем, таких как носимые и имплантируемые устройства, остро нуждается в разработке микро-ватт-милливатт автономного питания Технология замены традиционных перезаряжаемых батарей для удовлетворения своей технологии миниатюризацией, высокой плотностью, высокой стабильностью и надежностью разработки термоэлектрических материалов, температурой человеческого тела и разностью температур окружающей среды между генерацией энергии стала портативным интеллектуальным электронным устройством, поскольку Технология питания и эффективные решения.
С одной стороны, по сравнению с другими видами форм преобразования энергии эффективность преобразования термоэлектрической технологии невелика, только ~ 10%, что серьезно ограничивает развитие индустрии термоэлектрических технологий. Производительность термоэлектрического материала может быть измерена с помощью zT:
zT = S 2σT / (κe + κL)
Где S - коэффициент Зеебека материала, σ - электропроводность, T - рабочая температура, κe и κL - теплопроводность электронов и фононов соответственно. Из-за ограничения внутренних физических свойств различные параметры, определяющие значение zT, связаны друг с другом, Чтобы существенно повысить коэффициент полезности термоэлектрических материалов.
С другой стороны, для поддержания разности температур и полного использования выработки тепловой энергии термоэлектрические материалы / устройства должны быть тесно прикреплены к поверхности источника тепла, однако в практических применениях как поверхность тела, так и труба источника тепла имеют сложные геометрические изменения кривизны. Неорганические термоэлектрические материалы из-за их внутренней хрупкости не могут удовлетворять требованиям близко меняющейся кривизны, изменяющей поверхность источника тепла, так что потери тепловой энергии между источником тепла и термоэлектрическим материалом / устройством находятся в более высоком диапазоне. Помимо самого пироэлектрического материала, Потери тепловой энергии, вызванные плохим контактом между источником тепла и термоэлектрическим материалом, стали одним из ключевых факторов, ограничивающих развитие существующей термоэлектрической технологии.
Поэтому предлагается увеличить коэффициент Зеебека с помощью масштабирующего эффекта, легирования и управления межфазным энергетическим барьером, а также разработать стратегии рассеяния фононов с использованием многомасштабных дефектов и подавления теплопроводности для улучшения характеристик термоэлектрического преобразования, а также разработать новые высокоэффективные гибкие термоэлектрические материалы и Технология подготовки приборов, исследование механизма улучшения внутренней хрупкости неорганических термоэлектрических материалов стали в настоящее время глобальными трудностями и острыми проблемами на местах.
Институт металлических исследований, Китайская академия наук, Шэньян, Государственная ключевая лаборатория материаловедения 邰 Команда проекта Kaiping стремится к разработке атомной шкалы и подготовке высокоупорядоченной микроструктуры термоэлектрических тонкопленочных материалов и устройств. Использование технологии физического осаждения из паровой фазы для контроля смежных зерен Для границ с малым углом наклона зерна в первый раз для получения большой площади подготовка ориентации в плоскости и вне плоскости имеет высокую текстурированность Bi 2Te 3Результаты показывают, что малый угол наклона границ зерен может препятствовать рассеянию носителей для повышения проводимости в плоскости, сохраняя при этом рассеяние фононов для уменьшения теплопроводности, значительно улучшая характеристики термоэлектрического преобразования, является получение высокопроизводительных Bi 2Te 3Эффективный метод термоэлектрического тонкопленочного материала.
Рисунок 1. Неравновесное магнетронное осаждение для получения границ малого угла наклонных зерен 2Te 3SEM (a), TEM (b) Анализ микроструктуры и термоэлектрический тонкопленочный охладитель Оптический микроанализ (c), трехмерная топография (d) и схематическая диаграмма структуры охладителя (e) - (f)
Основываясь на вышеуказанной технологии, в сочетании с исследовательской группой разработана и построена высокоточная микро-лучевая лазерная технологическая платформа, разработанная Bi 2Te 3Сплав тонкопленочного микроохладителя, толщина термоэлектрической пары составляет ~ 25 мкм, минимальный размер в плоскости составляет ~ 200 × 200 мкм, а поток микрозонного охлаждения может достигать ~ 40 Вт / см 2. Устройство имеет широкий спектр применений в области управления тепловой энергией микросистем, таких как нагрев с фиксированной точкой процессора, контроль температуры микролазерного диода и т. Д. Эта работа достигла прорыва в области подготовки и обработки термоэлектрических тонкопленочных микрочипов, выиграла 2017 год Конференция по материалам Китая «Термоэлектрические материалы и устройства, выходящие на стену», заявка на патенты на изобретение, санкционированная двумя.
Впервые команда использовала технологию несбалансированного магнетронного распыления для получения композитного термоэлектрического тонкопленочного материала из теллурида висмута с многомасштабной пористой структурой от микрона до нанометра на основе целлюлозной бумаги, как показано на следующем рисунке.
Рисунок 2. Схема построения многомасштабной структуры пор и целлюлоза /
Bi 2Te 3SEM-характеристика композитных гибких термоэлектрических материалов
Результаты показывают, что из-за несбалансированной технологии магнетронного распыления пленка теллурида висмута и граница целлюлозы плотно связаны, номинальная толщина осадка может достигать десятков микрометров, что может эффективно уменьшить внутреннее сопротивление тонкопленочного устройства и повысить эффективность выхода термоэлектрического преобразования; Целлюлоза / Bi 2Te 3Уникальная структура сети, многомасштабная структура пор и Bi 2Te 3Эффект пленки дает целлюлозу / Bi 2Te 3Композиты демонстрируют хорошую гибкость гибки. Многомасштабная пористая структура в композитной термоэлектрической тонкой пленке может эффективно рассеивать фонон, чтобы уменьшить значение теплопроводности, близкую к теоретической минимальной теплопроводности Bi2Te3. Bi 2Te 3На поверхности пленки существует собственный слой оксида, и когда носители транспортируются между двумя соседними тонкими пленками Bi2Te3, оксидный слой на границе раздела может диффундировать и фильтровать низкоэнергетические носители и улучшать коэффициент Зеебека. 2Te 3Значение ZT композита при комнатной температуре до 473K может достигать 0,24-0,38 и, как ожидается, будет дополнительно улучшено с помощью оптимизации концентрации носителей. Композитный гибкий термоэлектрический материал адаптируется и интегрируется с демонстрационным устройством с использованием высокоточной лазерной платформы для микробизнеса Основываясь на этом гибком составном термоэлектрическом генераторе, эта работа дает новые идеи и решения для изучения новых высокоэффективных гибких термоэлектрических материалов и открывает новое направление для практической разработки гибких термоэлектрических устройств.
Научно-исследовательская работа была поддержана Национальным молодежным фондом естественных наук, Фондами на поверхности и «Сотни талантливой программой» Китайской академии наук.
Рисунок 3. Целлюлоза /
Bi 2Te 3Термоэлектрические свойства (a-d) и изгибные свойства изгиба композитов
Рисунок 4. Анализ XPS многолучевых композиций теллурида пористого висмута и трехмерного наномасштабного рентгенографического анализа композитных тонкопленочных материалов и диаграммы эффектов несущей структуры с барьерной фильтрацией
Рисунок 5. Композитные гибкие термоэлектрические материалы в условиях изгиба электрических свойств теста и использования температуры тела человека и разности температур между образованием теплового напряжения
Рисунок 6. Схематическое изображение структуры устройства гибкого термоэлектрического генератора и демонстрация демонстрации восстановления выработки тепловой энергии
