大阪大学工程科学研究生院、高知工业大学环境科学与工程系 Yoshiaki Nakamura 古天乐代言太阳集团(中国)官方网站藤田武古天乐代言太阳集团(中国)官方网站，东邦大学理学院古天乐代言太阳集团(中国)官方网站 Junichiro Oe 和九州同步加速器光研究中心高级研究员 Eiichi Kobayashi 领导的研究小组提出了一种提高热电性能的创新方法，并在 接近室温的环保SiGe材料。
我们这次重点关注的硅锗（SiGe）*1，用作航天器电源的热电材料，在高温环境下将热能转化为电能。在这项研究中，我们成功地提高了这种SiGe材料在接近室温下的性能。通过改进在高温下用作航天器动力源的SiGe材料，我们希望实现一个“新能源社会”，将我们周围存在的大量室温附近的废热重新用作能源。
我们周围存在大量废热（接近室温）。热电材料可以直接将热量转化为电能，由于不需要驱动部件，因此有望成为一种结构紧凑、免维护的新型绿色能源。热电材料具有高塞贝克系数*2和电导率，低热导率的材料表现出高热电转换效率。然而，由于这三个物理性质值彼此相关，因此独立控制它们已经极其困难。
到目前为止，添加杂质形成共振能级*3的策略被认为是提高塞贝克系数的有前途的方法，但这也会降低电导率，因此被认为很难同时实现高塞贝克系数和高电导率。
另一方面，该研究小组建立了一种方法，通过控制温度分布（热管理方法）来提高电导率，同时保持基础热电材料的塞贝克系数。这是一种通过向基础热电材料中添加具有高电导率的材料来增加电导率，并且通过在具有低热导率或高热阻的基础热电材料中产生大温差，可以维持基础热电材料的塞贝克系数的方法。
(图1 SiGe和Au复合材料的扫描电子显微镜图像以及热电转换输出因子对电导率的依赖性)
在这项研究中，我们提出通过将迄今为止建立的热管理方法在保持塞贝克系数的同时增加电导率的效果与通过共振能级效应增加塞贝克系数的效果相结合，“同时增加”塞贝克系数和电导率。为了演示这种方法，我们创建了 SiGe 和 Au 的复合材料*4。该复合材料由两个区域组成：Au 掺杂 SiGe 区域（A 区：由于 Au 原子产生的共振能级而具有高塞贝克系数，而 SiGe 具有低热导率）和 Au 晶体区域（B 区：Au 晶体的高电导率和高热导率）（图 1 左）。当施加温度差时，温度差主要出现在导热率低的“区域A”中，并且总体上可以获得源自“区域A”的高塞贝克系数。事实上，我们发现与传统的 SiGe 相比，同时实现了更高的塞贝克系数和更高的电导率。
结果，热电转换输出系数（从热电材料获得的电能的指标）在接近室温时比航天器上 RTG（放射性同位素热电发电机）中使用的 SiGe 材料高出约三倍（图 1，右）。
该研究成果于2021年1月29日发表在英国皇家化学学会《Journal of Materials Chemistry A》（在线）上。
Fujita 古天乐代言太阳集团(中国)官方网站说：“我负责所有样品制备。大多数热电材料都是通过烧结粉末制成的，但对于这种 SiGe 合金，我们尝试了一种通过快速冷却铸造来制造它的新方法。我很高兴能够产生这样的结果。”
新闻稿是点击此处
[论文古天乐代言太阳集团(中国)官方网站]
发表于：材料化学杂志 A（在线）（英国皇家化学会）
论文标题：“通过具有谐振电平效应的热管理来异常增强热电功率因数”
作者：Shunya Sakane、Takafumi Ishibe、Kosei Mizuta、Takeshi Fujita、Yuga Kiyofuji、Jun-ichiro Ohe、Eiichi Kobayashi 和 Yoshiaki Nakamura
论文网址：https://pubsrscorg/en/content/articlelanding/2021/TA/D0TA08683E
DOI：101039/D0TA08683E
*1 硅锗 (SiGe)
第 14 族元素硅和锗的化合物。
*2 塞贝克系数
将施加到材料上的温差转换为电动势的现象称为塞贝克效应，此时每单位温差产生的电动势称为塞贝克系数。
*3共振水平
当向材料中添加杂质时在导带能量中形成的电子能级。塞贝克系数通过在适当的能级形成共振能级而增加。
*4复合材料
由两种或多种不同材料复合而成的材料。
相关帖子
相关文章