不用なエネルギー - Nanostructured の熱電文書 -- を収穫します

教授によって Huey Hoon Hng

Huey Hoon HNG 助教授、仲間の椅子 (学術)、物質科学の学校及び工学、 Nanyang の科学技術大学、シンガポール。 対応する著者: ashhhng@ntu.edu.sg

CO の放出の環境影響上の常に増加するエネルギー需要そして成長する全体的な心配が2 原因で、化石燃料から支持できるエネルギーに通過するように解決を努める必要性があります。

30% だけが有用な作業に変換されますすべての一次エネルギーの私達が使用利用することが知られ。 ぐらつく 70% はエネルギー変換、交通機関および記憶の間にように放蕩の熱無駄になります。 この巨大な損失自体は再生利用できるエネルギーのもとです。 不用な熱の漏出が熱を利用され、保存され、再使用してもらうことによって最小化することができたら追加有効エネルギーのリソースは巨大でもよい。1

熱電材料

熱電 (TE)材料は電気に不用な熱エネルギーを変換するための大きい約束を保持します。 TE システムに多くの一義的な利点が、例えば無声、信頼できるおよびスケーラブルあります。 ただし、 TE 装置の現在の使用は低効率によって限定されます。 2

高性能のエネルギー変換、また費用有効性の目的を達成するため、現在の従来の TE 材料は満足ではないです。 新しい世代 TE 材料は約予知可能な影響を持って来るために開発されなければなりません。

熱電材料のエネルギー変換効率

TE 材料のエネルギー変換効率は無次元の図の利点によって評価することができます

ZT = ST/2(rk)、

STr および k が Seebeck 係数 (また thermopower と呼出される)、絶対温度、電気抵抗および熱伝導度であるところ、それぞれ。3 優秀な TE 材料は大きい国の要因を表わすべきです (S/r)2 電気特性、また低い熱伝導度のために。

これらのパラメータが第一次製品で相互依存であるが nano 材料か低次元のパラメータが独自に変えることができる nano 合成材料を製造するために、予測された theoretically.and が実験的に示したと同時に ZT 値を最適化することを困難にする複数の加工の技巧は適用されました。 4

この記事では、異なった材料の TE の機能拡張のための複数の nanostructuring アプローチはもたらされます。

ビスマスのテルル化物の熱電材料

ビスマステルル化物によって (BiTe)23基づく TE の材料は近い室温アプリケーションのための最も確立された材料です ZT の ~ 1. の機能拡張の ZT と低い次元の超格子の構造で、また大きさ nanostructured 材料で達成されました。3,5 音量子の平均より小さいサイズの nanostructures の存在は自由な経路熱伝導度のマーク付きの減少に終って中間および長波長の音量子を、分散させることによって分散する音量子を非常に高めることができます。 ただし、粒界、電子の高密度が原因でまた効率的に分散させ、電気伝導率の並行減少に導きます。

それ故に、実用的な解決はマトリックス段階に nanophase の制御された付加が付いている nanocomposites の準備です。 私達はマトリックス段階と同じ構成との nanophase の追加のアプローチを考慮しました。 6,7 このプロセスでは、 nanophase は高いスループットおよび経済的な溶解回転プロセスによって準備されました。 このプロセスは p タイプの BiSbTe および n タイプのかみ傷システム0.41.63 両方のために23 実行されました。 n タイプのかみ傷のために23、最大 ZT 1.80 が BiSbTe の p タイプの nanocomposite 成っている 40wt% の nanoinclusions のための 43°C で達成される間、最大 ZT 42°C の 1.18 は 10wt% の0.41.63 nanocomposite のために得られました。 ZT の重要な改善は高い発電の要因を保つ合成物のに同時に徹底的に熱伝導度を減らしている間」能力帰因しました。

図 1. (a) 典型的な HRTEM および (b) 溶解によって回されたかみ傷の SEM の画像は23 (c) p- の減らされた熱伝導度の複合材料そして高められた ZT をおよび (d) n タイプ基づかせていました。

ほとんどの最近の進展の TE 材料のための nanostructuring の一次利点のようである熱伝導度の減少と比較されて、力率のずっと機能拡張のアプローチはより本当らしくないですが、まだまれに報告されています。8 私達は de Broglie の波長へ結晶粒度および複雑な単位格子の統合を減らすことによって高い発電の要因をことを達成するために有効でであって下さいことを示しました。

直接 CVD 方法23 によって総合された 20 の nm SbTe の nanoparticles は大型の nanoparticles と比較された Seebeck より高い係数を示しました (50nm および 100nm)。9 伝導性が少しを減らしたが、小型の粒子はまだ高い発電の要因を示しました。

同様に、均一に混合された PbTe-PtTe によって2 複数の段階的に行なわれた nanoparticles は荷電粒子の集中の調整によって純粋な PbTe と比べて 2 つ以上の一桁によって力率で PbTe の調節によって機能拡張を示しました: PtTe の2 比率。10

図 2. (a) SbTe の nanoparticle の薄膜23 の SEM の画像および (b) 電気特性。

図 3. (a) 段階の比率 X =2 0.5 の PbTe-PtTe の二進段階的に行なわれた nanoparticles のPbTe TEM の画像。 (b) PbTe-PtTe のさまざまな X 値の二進2 段階的に行なわれた nanoparticle のサンプルの力率のPbTe 機能拡張。

熱電材料として Graphene およびカーボン Nanotubes

従来の TE 材料から離れて、新しい TE 材料 (FLG)として少数の層の (CNTs) graphene およびカーボン nanotubes はまた調査されました。11,12 CNTs および FLG は両方血しょう処置によって修正され、高められた TE の特性を表わします。 血しょう処置のプロセスは FLG および CNTs の欠陥を誘導し、次の変更を引き起こしました:

  • バンドギャップの開始
  • キャリア集中の修正
  • 音量子の分散の機能拡張

これらの修正は FLG および CNTs の TE の特性の機能拡張の原因となります。 FLG のフィルムはアルゴン血しょうによる酸素の血しょうそして CNTs によって修正されました。

FLG の Seebeck 係数は 575K の原始的な FLG のフィルムのための ~ 80 μV/K と比べて ~700 μV/K にかなり高められました。11 その間、わずかの電気伝導率の減少はまだ ~10 S/m. の高い値にしかし4 残りました。 その結果、達成された最大力率は原始的な-3 FLG の-2-1フィルムのそれの高く 15 倍 ~4.5×10 WKm でした。

図 4. (a) 酸素血しょう処置の後の FLG のフィルムの HRTEM の画像。 差込みは酸素血しょう処置の後でサンプルのための無定形の状態を確認する該当の SAED パターンを示します。 黄色い円は赤い円が炭素原子の不調な整理を指摘する間、そのようなフィルムの caron の小さい水晶を強調します。 (b) 異なった酸素血しょう処置の後の FLG のフィルムのための力率。

CNTs のために、サンプルは適用範囲が広いペーパーとして準備されました。 Seebeck 係数は 670K の ~350 μV/K、同じ温度の原始的な材料と比べる 7 つのフォールドの増加に増加しました。 FLG に類似した、血しょうによって扱われた CNTs の電気伝導率はまた減りましたが、受諾可能な値に残りました。 CNT のペーパーの熱伝導度は非常に低く任意ネットワークの形成が原因でした。 特に、血しょうによって扱われたサンプルは ~0.3 の非常に低い熱伝導度をとの示しました (m×K)。 CNT のペーパーの ZT 値は 670K の血しょう処置の後で 0.01 からの 0.4 にかなり高められました。 そのような改善は血しょうによって適用範囲が広い TE 装置を製造するのに扱われる CNT のペーパーの使用の多分示します。12

図 5. (a) flexsible CNT のペーパーの光学画像。 (b) ZT の機能拡張および異なった Ar 血しょう処置の持続期間の後のこれらの CNT のペーパーの Seebeck 係数。

好まれたオリエンテーション制御との代理の添加

力率を高めるもう一つのアプローチは脈打ったレーザーの沈殿技術を使用して好まれたオリエンテーション制御との代理の添加の組合せ (PLD)です。 例えば、 CaCoO は349 1000K で 0.83 の高温 ZT による最もよい TE の酸化物の 1 つです。13 ただし、結晶成長および電気輸送の強い異方性が原因で、大型の単結晶は製造しにくいです。13 PLD の使用によって、完全な c 軸線のオリエンテーションとよく結晶した薄膜は電気特性が単結晶と対等であると見つけられた内部平面準備。14 なお、 Bi の取り替えは Seebeck 係数を高めている間薄膜の電気抵抗を減らすことができます。 Bi 添加された CaCoO ベースの薄膜の349力率は ~21% を改善すると見つけられ、 950 K. で-1-2 1.016 mWmK に達しました。15

図 6. (a) CaCoO の Bi 添加された薄膜の349 TEM の画像。 (b) Bi の取り替えによる Seebeck の係数および力率の機能拡張。

概要

要約すると、 nanostructuring はさまざまな高度の技術によって適用し、慣習的で、新しい材料の TE パフォーマンスを改善する絶好の機会を提供できます。 エネルギー効率を改善し、 CO の放出を減らすのに使用されるようにそれ以上の最適化およびスケーリングは TE 装置のアプリケーションを近い将来に2 広げます。


参照

  1. Ryoji Funahashi およびさおり Urata、 「酸化物熱電システムの製造そしてアプリケーション」、 Int。 J. App。 Ceram。 Technol。 4(4)、 297-307 (2007 年)。
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  3. R. Venkatasubramanian、 E. Siivola、等 T. Colpitts、 「高い室温の性能指数が付いている薄膜の熱電装置」、性質 413(6856)、 597-602 (2001 年)。
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  5. B. Poudel、 Q. Hao、等 Y. Ma、 「nanostructured ビスマスのアンチモンのテルル化物の大きさの合金の高熱電パフォーマンス」、科学 320(5876)、 634-638 (2008 年)。
  6. S.F. Fan、 J.N. 肇、等 J. 郡野、 「0.41.63 高められた性能指数が付いている BiSbTe の p タイプの nanocomposites」、 Appl。 Phys。 Lett。 96(18) (2010 年)。
  7. S.F. Fan、 J.N. 肇、等 Q.Y. 沿、 「n タイプのかみ傷 Nanocomposites の熱電特性の Nanoinclusions の23 影響」、 J. Electronic Mater。 40(5) 1018-1023 (2011 年)。
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  15. T. 日曜日、 H.H. Hng、等 Q.Y. 沿は脈打ったレーザーの沈殿によって、 「CaCoO の Bi 添加された c 軸線によって方向づけられた349 薄膜の高温熱電特性を」、 J. Appl 高めました。 Phys。 108(8)、 083709 (2010 年)。

Date Added: Apr 11, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:28

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