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關(guān)于Bi2Te3/ Sb2Te3溫差電池的初步研究
資源天下 2019/4/8 20:32:48
摘要
制備127對(duì)Bi2Te3/Sb2Te3溫差電池并測(cè)量電池性能。研究表明，電池的溫度梯度為15℃時(shí)，輸出電壓、最大輸出功率可達(dá)到0.08V和1.2W，且兩者均隨著溫差的增大而增大。此外，我們探討了內(nèi)阻隨著溫差的變化機(jī)理。
關(guān)鍵詞：溫差電池，Bi2Te3，Sb2Te3
1.介紹
21世紀(jì)以來(lái)，全球面臨著能源短缺與環(huán)境污染雙重挑戰(zhàn)，因此風(fēng)能、太陽(yáng)能等綠色能源逐步受到重視，溫差發(fā)電技術(shù)作為一種可以利用太陽(yáng)能、地?zé)�、汽�?chē)廢熱及工業(yè)廢余熱將熱能轉(zhuǎn)化為電能的綠色環(huán)保發(fā)電技術(shù)逐漸得到了重視，它能將廢舊熱的變廢為寶，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。
溫差電池利用塞貝克效應(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，是一種綠色裝置[1]，具有廣泛的優(yōu)越性。溫差電池綠色環(huán)保、無(wú)噪聲無(wú)污染且無(wú)需任何后續(xù)的維護(hù)，具有較好的靈敏性，體積小、靈活方便，成本低，適用于任何存在溫度梯度的場(chǎng)合。其中，Bi2Te3/Sb2Te3兩種材料是窄禁帶寬度的半導(dǎo)體材料，適用于室溫下的熱電裝置。[1]
溫差電池也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，其轉(zhuǎn)換效率較低且輸出電壓較低，大大抑制了溫差電池的實(shí)用性。故本論文針對(duì)室溫下效率相對(duì)較高的Bi2Te3/Sb2Te3溫差電池展開(kāi)研究，通過(guò)測(cè)量不同溫度梯度下Bi2Te3/Sb2Te3溫差電池的性能，探討室溫下溫差電池的發(fā)電機(jī)理，尋找溫差電池發(fā)電效率較低的根源，為后續(xù)同行對(duì)溫差發(fā)電的研究打下基礎(chǔ)。
2.原理
如圖1所示，當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或者半導(dǎo)體A與B一端相互接觸形成閉合回路，且置于高溫環(huán)境T2中，而A、B的另一端置于相對(duì)低溫環(huán)境T1中，那么此時(shí)A、B的低溫端之間會(huì)存在一個(gè)電勢(shì)差，這個(gè)電勢(shì)差一般稱(chēng)為溫差電動(dòng)勢(shì)，其數(shù)值大小取決于A、B兩種材料的本身性質(zhì)和兩端之間的溫度梯度大小，即|T2-T1|的值，也稱(chēng)溫差電動(dòng)勢(shì)為塞貝克電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)|T2-T1|相差不大時(shí)，所獲得的溫差電動(dòng)勢(shì)V與|T2-T1|的比值被定義為回路的塞貝克系數(shù)SAB，常用單位為μV/K，數(shù)學(xué)表示為[2]:
圖1 塞貝克效應(yīng)示意圖
3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析
我們將127對(duì)Bi2Te3/Sb2Te3溫差熱電腿串聯(lián)，并用單層陶瓷將其雙面封裝。封裝后的尺寸為長(zhǎng)40mm、寬40mm、厚3.4mm。將此溫差熱電裝置置于一定溫度梯度下，測(cè)量電池的輸出電壓并計(jì)算最大輸出功率。
相關(guān)測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果如圖2所示。其中a圖是輸出電壓隨著溫度梯度的變化情況，從圖中可以看出，隨著溫度梯度的升高，輸出電壓基本呈現(xiàn)線性遞增趨勢(shì)。根據(jù)[2],當(dāng)溫度梯度升高，即熱端溫度升高時(shí)，由于載流子受熱激發(fā)，P型半導(dǎo)體中產(chǎn)生出更多的空穴、N型半導(dǎo)體中產(chǎn)生更多的電子。在濃度梯度的內(nèi)電場(chǎng)作用下，P型半導(dǎo)體熱端的空穴和N型半導(dǎo)體熱端的電子都將傾向于向冷端流，并最終在電極上積累。隨著熱端溫度的升高，兩電極之間的電勢(shì)差越來(lái)越大，所以，輸出電壓越來(lái)越大 [2]。通過(guò) 可計(jì)算得出單對(duì)電腿的塞貝克系數(shù)約為42.6μV/K 。
圖2：（a）輸出電壓隨著溫度梯度的變化情況；（b）電池內(nèi)阻隨著溫度梯度的變化情況；（c）最大輸出功率隨著溫度梯度的變化情況；
由于電池是半導(dǎo)體材料，其伏安特性是非線性的，為了定性研究電池內(nèi)阻隨著溫度的變化情況，我們給電池外加了固定的電壓，在此前提下，圖2的b圖展示了隨著溫度梯度的升高，溫差電池的內(nèi)阻逐漸變大。為了說(shuō)明問(wèn)題，以N型電腿為例，根據(jù)[2],  ，其中ρ是電腿的電阻率，其中，n是電子濃度，e是電荷，μ是電子遷移率。當(dāng)熱端溫度在一定范圍內(nèi)升高時(shí)，雖然電子濃度有所上升，但由于內(nèi)部載流子之間的碰撞更加明顯，且電腿內(nèi)部晶格的振動(dòng)也會(huì)隨著溫度的上升而加大，從而降低電子遷移率，最終導(dǎo)致電池阻值的上升。
由電路相關(guān)知識(shí)得知，一個(gè)實(shí)際電壓源的最大輸出功率可由 得出。故根據(jù)圖2的a圖和b圖，可計(jì)算得出本實(shí)驗(yàn)中，溫差電池的最大輸出功率隨著相應(yīng)溫度梯度的變化情況，如圖2-（未完，下一頁(yè)）
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