Термоэлектрические материалы

Термоэлектричество относится к классу явлений в материалах, при котором разность температур создает электрический потенциал или электрический потенциал создает разность температур. Различные металлы и полупроводники используются в подобных применениях. NETZSCH предлагает мощные инструменты для оптимизации характеристик материалов и в этой области. Для оптимизации термоэлектрических систем необходимо знание термических свойств материалов, из которых они сделаны. Эффективность термоэлектрических материалов напрямую зависит от теплопроводности.

Термическая стабильность (проанализированная на приборах ТГ или ДСК) предоставляет информацию о максимальной возможной температуре использования термоэлектрических материалов. Измерения СТА-МС идеально характеризуют термическую стабильность термоэлектрических компонентов. Для анализа фазовых переходов и удельной теплоемкости одним из лучших методов исследований является дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Наши приборы лазерной вспышки LFA быстро и надежно выполняют измерения температуропроводности на небольших, тонких образцах самых разных материалов во всем спектре возможных температур. Для точных измерений температуропроводности, теплоемкости и теплопроводности прибор лазерной вспышки (LFA) является быстрым и универсальным методом. Дилатометрия ДИЛ или динамический механический анализ ДМА используются для измерений термического расширения и вязкоупругих свойств материалов, в том числе с учетом анализа, для предсказания поведения материалов в реальных условиях под воздействием заданного термического режима.

Кубические скуттерудитовые материалы в форме (Co, Ni, Fe) (P, Sb, As) 3 имеют потенциал для высоких значений ZT из-за их высокой подвижности электронов и высокого коэффициента Зеебека. Ненаполненные скуттерудиты на основе CoSb3 имеют недостаток из-за присущей им большой теплопроводности, что снижает их значение ZT. Однако эти материалы содержат пустоты, в которые могут быть вставлены ионы с низкой координацией (обычно редкоземельные элементы). Они изменяют теплопроводность, создавая источники для решеточного рассеяния фононов, и уменьшают теплопроводность из-за решетки без снижения электропроводности. Это заставляет эти материалы вести себя как PGEC (фононное стекло, электронный кристалл). 

Эффект введения слоя наночастиц в La0.9CoFe3Sb12 с целью снижения теплопроводности исследован до 550 ° C. Теплопроводность (l) рассчитывалась с использованием теплоемкости (cp), заданной в DSC 404 F1 Pegasus ^® . Решеточная теплопроводность была найдена путем расчета электрической теплопроводности с использованием соотношения Видемана-Франца и вычитания ее из ltotal.

При 452 ° C ZT показывает максимальное значение, а нанокомпозит с 5 мас.% Показывает самый высокий ZT с улучшением почти на 15% по сравнению с контрольным образцом, не содержащим наночастиц (оранжевые точки). Эти результаты показывают, что наночастицы, введенные в уже оптимизированные системы скуттерудита, могут еще больше снизить теплопроводность и, следовательно, улучшить ZT в широком диапазоне температур.

Решеточная теплопроводность и показатель качества La0.9CoFe3Sb12

Теллурид свинца имеет хорошие характеристики как термоэлектрический материал, отчасти в связи с низкой теплопроводностью и благодаря своим электрическим свойствам. На графике показано поведение коэффициента Зеебека (зеленая кривая) и электропроводности (синяя кривая) теллурида свинца в интервале температур от комнатной и до 250°C. Пунктирная зеленая линия – сертифицированные значения PTB¹⁾. Можно видеть хорошую корреляцию между измеренными значениями и сертифицированными.

¹⁾ Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig

Коэффициент Зеебека и электропроводность теллурида свинца (PbTe)

На этом графике показаны измерения, проведенные на AgPb ₁₈ Te ₂₀ в диапазоне температур от 150 ° C до 370 ° C. Проводимость решетки можно рассчитать по измеренной теплопроводности. Здесь демонстрируется температурная зависимость полной теплопроводности (λ _tot ) и решеточной теплопроводности (λ _latt ) AgPb ₁₈ BiTe ₂₀ .

На вставке показана температурная зависимость решеточной теплопроводности Ag1-xPb18BiTe20 (x = 0, 0,3) по сравнению с решеточной теплопроводностью AgPb18BiTe20 (обозначена символом +). (измерение с помощью LFA 457 MicroFlash ^® ).

Ag1-xPb18MTe20 (M = Bi, Sb); опубликовано Kanatzidis et al., Северо-Западный университет, Иллинойс, США [1]. 

Измерения проводились в Netzsch LFA 457 MicroFlash ^® . Используется типичный размер образца диаметром 12,7 мм и толщиной 2 мм.

В материалах теллурида свинца PbTe-Ge и PbTe-Ge1-xSix теплопроводность легко регулируется легированием Ge с Si и уменьшением содержания Ge [2].

Приведенные ниже результаты получены в диапазоне температур от 25 ° C до 320 ° C. График A показывает, что Ge оказывает значительное влияние на решеточную проводимость PbTe. С уменьшением содержания Ge проводимость решетки уменьшается во всем температурном диапазоне. Кроме того, при легировании Ge кремнием состава PbTe-Ge (20%) можно наблюдать дальнейшее снижение решеточной проводимости (график B). Аналогичное поведение можно увидеть при постоянном соотношении смешивания Ge и Si и уменьшении содержания Ge0,8Si0,2 (график C). График D показывает, что соотношение 5% Ge- / Ge-Si обеспечивает оптимальную теплопроводность решетки.  
 
[2] Соцман, Джозеф Р .; Он, Цзяцин; Дравид, Винаяк П., Ли, Чанг-Пэн; Ухер, Цтирад; Kanatzidis, Mercouri G. Высокая термоэлектрическая ценность и улучшенные
механические свойства в закаленных расплавом эвтектических и гиперэвтектических композитах PbTe - Ge и PbTe - Ge1-xSix J. Appl. Phys. (2009), 105, 083718 (измерение с помощью LFA 457 MicroFlash ^® ).