Жмущ Неныжную Энергию - Материалы Nanostructured Термоэлектрические

Профессором Huey Hoon Hng

Адъюнкт-Профессор Huey Hoon HNG, Стул Сподвижницы (Академичный), Школа Науки Материалов & Инджиниринг, Университет Nanyang Технологический, Сингапур. Соответствуя автор: ashhhng@ntu.edu.sg

Должно к все больший и больший спросу на энергию и растущей всеобщей озабоченности над экологическим воздействием излучений2 CO, потребность изыскивать разрешения для того чтобы transit от каменных углей к устойчивый энергии.

Знано что полностью первичной энергии мы обуздываем и польза, только 30% переведено в полезную работу. Располагая ступенями 70% расточительствовано как превращенное тепл во время преобразования, перевозки и хранения энергии. Эта огромная потеря сама источник recyclable энергии. Если утечка неныжной жары может быть уменьшена путем иметь жару быть обузданным, сохраненным и повторно использованным, то дополнительные ресурсы доступной энергии смогли быть огромны.1

Термоэлектрические Материалы

Термоэлектрические (TE) материалы держат большой посыл для преобразовывать неныжную тепловую энергию в электричество. Системы TE имеют много уникально преимуществ, например молчком, надежно и масштабируемо. Однако, присутствующая польза приборов TE ограничена их низкими эффективностями. 2

Для того чтобы достигнуть цели преобразования энергии высокой эффективности так же, как эффективности цены, настоящие традиционные материалы TE не удовлетворительны. Материалы Нового поколения TE должны быть начаты для того чтобы принести около предвидимые удары.

Эффективность Преобразования Энергии Термоэлектрических Материалов

Эффективность преобразования энергии материала TE может быть оценена безразмерным показателем добротности

ZT = ST/2(rk),

где S, T, r и k также вызванный коэффициент Seebeck (thermopower), абсолютная температура, электрическая резистивность и термальная проводимость, соответственно.3 Превосходные материалы TE должны показать фактор большой силы (S/r2) для электрических свойств так же, как низкой термальной проводимости.

Хотя эти параметры взаимозависимы в кусковых материалах, делая его трудным оптимизировать значения ZT, несколько методов обработки прикладной для того чтобы изготовить nano-материалы или nano-составные материалы, где параметры в низк-размере можно поменять независимо по мере того как предсказанное theoretically.and продемонстрировало экспириментально. 4

В настоящей статье, будут введены несколько nanostructuring подходов для повышения TE в различных материалах.

Материалы Теллурида Висмута Термоэлектрические

Материалы Висмута (BiTe)23 основанные теллуридом TE устанавливать материалы для близко применений комнатной температуры, с ZT Повышений ~ 1. в ZT достигните в низкой структуре superlattice размера так же, как в материалах nanostructured большим частью.3,5 Присутсвие nanostructures с размерами более малыми чем середина фонона длина свободного пути может значительно увеличить фонон разбрасывая путем разбрасывать фононы средней и длинней длины волны, приводящ к в маркированном уменшении в термальной проводимости. Однако, должно к высокой плотности границ между зернами, электронов также разбросайте эффективно, водящ к одновременному уменшению в электрической проводимости.

Следовательно, практически разрешение будет подготовкой nanocomposites с контролируемым добавлением nanophase в участок матрицы. Мы рассматривали подход добавлять nanophase с таким же составом как участком матрицы. 6,7 В этом процессе, nanophase было подготовлено через высокое объём и экономичный процесс закручивать melt. Этот процесс был снабжен как для p-типа BiSbTe0.41.63 , так и длятипа систем23 Укуса. Для n-типа Укуса23, максимум ZT 1,18 на 42°C был получен для nanocomposite 10wt% пока максимум ZT 1,80 был достиган на 43°C для p-типа nanoinclusions0.41.63 nanocomposite состоя 40wt% BiSbTe. Значительно улучшение в ZT было приписано к способность смесям' сохранить фактор наивысшей мощности пока в тоже время drastically уменьшающ термальную проводимость.

Диаграмма 1. (a) Типичные изображения HRTEM и (b) SEM Укуса закрученного melt23 основала композиционные материалы и их увеличенное ZT с уменьшенной термальной проводимостью (c) p- и n-типа (d).

Сравнено с уменшением термальной проводимости, которая кажется, что будет основным преимуществом nanostructuring для материалов TE в большинств новейших разработках, подход повышения фактора силы более правоподобн но пока редко был сообщен.8 Мы продемонстрировали что путем уменьшать размер зерна к длине волны Де бройль и синтез сложной клетки блока эффективн для достигать фактора наивысшей мощности.

20 nanoparticles nm23 SbTe сразу синтезированных методом CVD показали более высокий коэффициент Seebeck сравненный к более крупноразмерным nanoparticles (50nm и 100nm).9 Хотя проводимость уменьшила немногую, более малая частица размера все еще продемонстрировала фактор более высокой силы.

Подобно, равномерно смешанные nanoparticles2 multi-фазированные PbTe-PtTe показали повышение в факторе силы больше чем 2 порядками величины по сравнению с чисто PbTe через настраивать концентрацию переноса ионов путем регулировать PbTe: Коэффициент2 PtTe.10

Диаграмма 2. (a) изображение SEM фильма23 nanoparticle SbTe тонкого и (b) своих электрических свойств.

Диаграмма 3. (a) изображение TEM nanoparticles2 PbTe-PtTe бинарных фазированных с коэффициентом X =PbTe 0,5 участка. (b) Повышение фактора силы в образцах2 nanoparticle PbTe-PtTe бинарных фазированных с различными значениямиPbTe X.

Graphene и Углерод Nanotubes как Термоэлектрические Материалы

Отдельно от традиционных материалов TE, nanotubes graphene немногих (FLG) слоев и углерода (CNTs) как романные материалы TE также были расследованы.11,12 И CNTs и FLG были доработаны обработкой плазмы и показывают увеличенные свойства TE. Процесс обработки плазмы навел дефекты на FLG и CNTs и причинил следующие изменения:

  • отверстие зазора диапазона
  • изменение концентрации несущей и
  • повышение разбрасывать фонона

Эти изменения водят к повышению в свойствах TE FLG и CNTs. Фильмы FLG были доработаны плазмой и CNTs кислорода плазмой аргона.

Коэффициент Seebeck FLG значительно был увеличен до ~700 μV/K по сравнению с ~ 80 μV/K для древних фильмов FLG на 575K.11 Между Тем, уменшение электрической проводимости немножко но все еще остало на верхнем значении ~104 S/m. Следовательно, максимальный достиганный фактор силы было ~4.5×10-3 WKm-2-1, которое было 15 времен более высоко чем то из древних фильмов FLG.

Диаграмма 4. (a) изображения HRTEM фильмов FLG после обработки плазмы кислорода. Inset показывает соответствуя картину SAED, которая подтверждает аморфическое состояние для образцов после обработки плазмы кислорода. Желтые круги выделяют малые кристаллы caron в таких фильмах пока красные круги указывают вне disordered расположение атомов углерода. (b) Фактор Силы для фильмов FLG после различных обработок плазмы кислорода.

Для CNTs, образцы были подготовлены как гибкие бумаги. Коэффициент Seebeck был увеличен до ~350 μV/K на 670K, увеличение 7 створок по сравнению с древний материалом на такой же температуре. Подобно к FLG, электрическая проводимость CNTs обработанного плазмой также уменьшила но остала на приемлемом значении. Термальная проводимость бумаг CNT была очень низко должна к образованию случайных сетей. В частности, образец обработанный плазмой показал очень низкую термальную проводимость ~0,3 С (m×K). Значение ZT бумаг CNT значительно было увеличено до 0,4 от 0,01 после обработки плазмы на 670K. Такое улучшение демонстрирует по возможности использования обработанных плазмой бумаг CNT для того чтобы изготовить гибкие приборы TE.12

Диаграмма 5. (a) Оптически изображения flexsible бумаги CNT. (b) Повышение ZT и коэффициент Seebeck бумаги этих CNT после различной продолжительности обработки плазмы Ar.

Substitutional Давать Допинг с Предпочитаемым Управлением Ориентации

Другой подход для того чтобы увеличить фактор силы давать допинг сочетание из substitutional с предпочитаемым управлением ориентации используя метод низложения пульсированного (PLD) лазера. Например, CaCoO349 одна из самых лучших окисей TE должных к своему высокотемпературному ZT 0,83 на 1000K.13 Однако, должно к сильной неизотропности в выращивании кристаллов и электрическом переходе, крупноразмерные одиночные кристаллы трудны для того чтобы изготовить.13 Путем использование PLD, были найдены, что соответствовали тонкие фильмы которые хорошо были выкристаллизовываны с совершенной ориентацией c-оси смогли быть подготовлены, и электрические свойства в-плоскости к одиночным кристаллам.14 Furthermore, замещение Bi смогло уменьшить электрическую резистивность тонких фильмов пока увеличивающ коэффициент Seebeck. Был найдены, что улучшил ~21% и достиг349 фактор силы Bi-Данных допинг CaCoO-основанных тонких фильмов mWmK 1,016-1-2 на K. 950.15

Диаграмма 6. (a) изображение TEM Bi-Данного допинг фильма349 CaCoO тонкого. (b) Повышение фактора коэффициента и силы Seebeck замещением Bi.

Сводка

В сводке, nanostructuring может быть прикладной различными предварительными методами и может обеспечить огромную возможность улучшить представление TE как обычной, так и новых материалов. Более Дополнительные оптимизирование и шкалирование расширят применение приборов TE в ближайшее время так, что они будут мочь быть использованы для того чтобы улучшить выход по энергии и уменьшить излучения2 CO.


Справки

  1. Ryoji Funahashi и Saori Urata, «Изготовление и Применение Системы Окиси Термоэлектрической,» Int. J. App. Ceram. Technol. 4(4), 297-307 (2007).
  2. F.J. DiSalvo, «Термоэлектрические охлаждать и производство электроэнергии,» Наука 285(5428), 703-706 (1999).
  3. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts et al., «Тонкопленочные термоэлектрические приборы с высокими показателями добротности комнатной температуры,» Природа 413(6856), 597-602 (2001).
  4. L.D. Запинание и M.S. Dresselhaus, «Влияние Структур Кванта-Хорошо на Термоэлектрическом Показателе Добротности,» Phys. Rev. B 47(19), 12727-12731 (1993).
  5. B. Poudel, Q. Hao, Y. Ma et al., «Высок-Термоэлектрическое представление nanostructured сплавов большого части теллурида сурьмы висмута,» Наука 320(5876), 634-638 (2008).
  6. S.F. Вентилятор, J.N. Zhao, J. Guo et al., «p-тип nanocomposites0.41.63 BiSbTe с увеличенным показателем добротности,» Appl. Phys. Lett. 96(18) (2010).
  7. S.F. Вентилятор, J.N. Zhao, Q.Y. Yan et al., «Влияние Nanoinclusions на Термоэлектрических Свойствах n-Типа Укуса23 Nanocomposites,» J. Электронн Mater. 40(5), 1018-1023 (2011).
  8. C.J. Vineis, A. Shakouri, A. Majumdar et al., «Nanostructured Thermoelectrics: Большие Увеличения Эффективности от Adv Малых Характеристик». Mater. 22(36), 3970-3980 (2010).
  9. J. Chen, T. Солнце, D. Sim et al., «SbTe23 Nanoparticles с Увеличенным Коэффициентом Seebeck и Низкой Термальной Проводимостью,» Chem. Mater. 22(10), 3086-3092 (2010).
  10. W.W. Zhou, J.X. Zhu, D. Li et al., «Бинарн-Фазировали Nanoparticles для Увеличенных Термоэлектрических Свойств,» Adv. Mater. 21(31), 3196-3200 (2009).
  11. N. Xiao, C. Дун, L. Песня et al. X., «Увеличил Thermopower Фильмов Graphene с Обработкой Плазмы Кислорода,» ACS Nano 5(4), 2749-2755 (2011).
  12. Weiyun Zhao, Вентилятор Shufen, Ni Xiao et al., «Гибкие бумаги nanotube углерода с улучшенными термоэлектрическими свойствами,» Энергия Environ Sci 5(1), 5364-5369 (2012).
  13. M. Shikano и R. Funahashi, «Электрические и термальные свойства одиночн-кристаллического CoO (23CaCoO0.7)2 с структурой349 CaCoO,» Appl. Phys. Lett. 82(12), 1851-1853 (2003).
  14. T. Солнце, J. Ma, Q.Y. Yan et al., «Влияние тарифа низложения пульсированного лазера на микроструктуре и термоэлектрические свойства фильмов349 CaCoO тонких,» J. Cryst. Рост 311(16), 4123-4128 (2009).
  15. T. Солнце, H.H. Hng, Q.Y. Yan et al., «Увеличили высокотемпературные термоэлектрические свойства Bi-Данных допинг ориентированных c-осью фильмов349 CaCoO тонких низложением пульсированного лазера,» J. Appl. Phys. 108(8), 083709 (2010).

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

Last Update: 14. June 2013 09:48

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit