Традиционные термоэлектрические материалы, теллуриды висмута и свинца. Улучшение термоэлектрической добротности однородных материалов. Термовольтаический эффект в поликристаллическом SmS. Выбор оптимальной концентрации носителей и ширины запрещённой зоны.
Аннотация к работе
Для ее выработки применяются множество различных устройств-преобразователей, так называемых генераторов электрической энергии таких как: ядерные реакторы, солнечные батареи, ветряные генераторы, самые распространенные тепловые генераторы и др. Одними из таких генераторов являются термоэлектрические, позволяющие напрямую превращать тепловую энергию в электрическую.Эффективность термоэлектрического преобразования энергии определяется величиной, называемой термоэлектрической добротностью [2]: , (1) где ?-проводимость; Термоэлектрическая добротность имеет размерность обратной температуры и зависит только от физических свойств материала. Добротность чаще всего используется в виде безразмерной комбинации: , (2) где T-рабочая или средняя температура преобразователя, равная: , (3) где и - температуры горячего и холодного спаев соответственно. Термоэлектрическая добротность непосредственно связана с эффективностью работы устройства, поэтому это очень удобный параметр для сравнения потенциальной эффективности преобразователей, использующих различные материалы. Значения ZT = 1 при комнатной температуре сегодня считаются хорошими; возрастание добротности до 2 - 3 привело бы к увеличению КПД термоэлектрических преобразователей примерно до 20% и к резкому расширению области их применения, а величина ZT около 3-4 представляется достаточной для того, чтобы термоэлектрические устройства могли конкурировать по эффективности с электрическими генераторами и холодильными агрегатами обычной конструкции.К практическому использованию эффекта термоэлектрического охлаждения и обратного ему эффекта термоэлектрической генерации тока подтолкнули прогнозы, сделанные А.Ф.Иоффе в середине 1950-х гг.Теллуриды висмута и свинца оказались первыми соединениями, на основе которых были созданы термоэлектрические материалы. Теллурид висмута имеет слоистую структуру типа тетрадимита (рисунок 1.3). Чередующиеся вдоль оси с ромбоэдрической решетки слои из атомов висмута и теллура объединены в блоки, содержащие по пять слоев. Внутри блока атомы связаны прочными ковалентными взаимодействиями, тогда как между блоками действуют ван-дер-ваальсовы силы. Соединение Bi2Te3 характеризуется заметной областью гомогенности и в зависимости от состава внутри этой области имеет разный тип проводимости - р или n [9].Особое положение в семействе традиционных термоэлектриеских материалов занимают так называемые сплавы Si-Ge, с химической точки зрения представляющие собой твердый раствор SIXGE1-x. Однако теплопроводность можно понизить до значений порядка 5-10 Вт• • в результате образования твердого раствора [23]. Химическая устойчивость твердого раствора SIXGE1-x при высоких температурах, в частности по отношению к окислению, создает предпосылки для использования термоэлектрических материалов на его основе при высокой температуре (1000-1200К), при этом эффективность достигает значения 0.9 для х ?0.3 (см. рисунок 3) [23].Он предпочтительно образует соединения в степени окисления 1, его ионный радиус очень близок к ионному радиусу калия, но электроотрицательность высока [23]. Замена калия на таллий может привести к уменьшению ширины запрещенной зоны соединений в результате существенного уменьшения ионности химической связи и к повышению электропроводности. Во-вторых, таллий - тяжелый элемент, поэтому его введение в полупроводник, в том числе в теллурид висмута или свинца, должно приводить к уменьшению теплопроводности. Исследование сложных теллуридов таллия показало, что некоторые представители этого класса соединений имеют перспективные термоэлектрические свойства. В структуре можно выделить перовскитоподобную последовательность слабо искаженных октаэдров из атомов теллура, внутри которых расположены (статистически) атомы висмута или таллия (рисунок 1.6).Если в образце с электронной проводимостью существует перепад температуры, то электроны на горячем конце имеют более высокие энергии и скорости, чем на холодном, и более интенсивно диффундируют к холодному концу, чем двигающиеся им навстречу электроны с холодного конца, имеющие меньшие энергии и скорости. При увеличении концентрации газ носителей заряда (для определенности электронов) становится вырожденным, когда уровень Ферми EF(электрохимический потенциал) попадает в зону проводимости, а энергия Ферми, т. е. расстояние от уровня Ферми до дна этой зоны, превосходит KGT. Энергия и скорость частиц определяются при этом величиной энергии Ферми и почти не зависят от температуры, поэтому электронные потоки с холодного и горячего концов образца различаются незначительно и термоэдс оказывается мала. Когда распределение электронов становится вырожденным, роль состояний, лежащих глубоко под уровнем Ферми, делается мала, и транспорт электронов в основном осуществляется по состояниям в слое энергий шириной порядка около уровня Ферми. Энергия Пельтье получается суммированием вкладов (Е - EF) от электронов с энергиями Е, близкими к уровню Ферми, при этом вклады состояний электронного типа с Е > EF и дырочного типа с Е <ЕF
План
Содержание
Задание на выпускную квалификационную работу
Реферат
Введение
1.Литературный обзор
1.1 Основные параметры, характеризующие термоэлектрические материалы
1.2 Традиционные термоэлектрические материалы и их совершенствование
1.2.1 Теллуриды висмута и свинца
1.2.2 Сплавы Si - Ge
1.2.3 Соединения таллия
1.3 Пути улучшения термоэлектрической добротности однородных материалов
1.3.1 Выбор оптимальной концентрации носителей
1.3.2 Выбор оптимальной ширины запрещенной зоны
1.3.3 Модификация химического состава
1.4 Наноструктурированные материалы
1.4.1 Сверхрешетки и системы с квантовыми ямами
1.4.2 Квантовые проволоки
1.4.3 Нанокомпозиты
1.5 Термовольтаический эффект в поликристаллическом SMS
2. Получение образцов. Методика эксперимента
2.1 Получение образцов
2.2 Методика эксперимента
3. Результаты эксперимента и их обсуждение
3.1 Температурная зависимость э.д.с
Заключение
Список использованных источников
Введение
В настоящее время самым удобным и широко используемым видом энергии является электрическая энергия. Для ее выработки применяются множество различных устройств-преобразователей, так называемых генераторов электрической энергии таких как: ядерные реакторы, солнечные батареи, ветряные генераторы, самые распространенные тепловые генераторы и др. Одними из таких генераторов являются термоэлектрические, позволяющие напрямую превращать тепловую энергию в электрическую. Поскольку излишней тепловой энергии в окружающей среде предостаточно, они являются весьма перспективными для повсеместного использования. Однако, низкий коэффициент полезного действия делает область применения такого рода преобразователей весьма специфичной. В связи с этим не вызывает вопросов актуальность исследований направленных на улучшение параметров используемых сейчас и разработку новых термоэлектрических материалов. Одними из таких материалов являются композиты на основе селенидов меди.
В данной работе исследовались электрические свойства образца композиционного материала [Cu2O]x[Cu2Se]100-x, имеющий в одном направлении градиент по фазовому составу, что привело к градиенту количества носителей заряда вдоль того же направления.