半導體熱電材料

(1)溫差發電材料。 (2)溫差致冷材料。 (3)發展材料製備工藝,以獲得最佳的組織結構。

概述

半導體熱電材料(semiconductor thaermoelectric material)指具有較大熱電效應的半導體材料,亦稱溫差電材料。它能直接把熱能轉換成電能,或直接由電能產生致冷作用。1821年德國塞貝克(see―beck)在金屬中發現溫差電效應,僅在測量溫度的溫差電偶方面得到了套用。半導體出現後,發現它能得到比金屬大得多的溫差電動勢,熱能與電能轉換有較高的效率,因此,在溫差發電、溫差致冷方面得到了發展。

製備方法

半導體熱電材料的大致有如下幾種:
(1)粉末冶金法。宜於大批量生產,材料的機械強度高且成分均勻,易於製成各種形狀的溫差電元件,其缺點是破壞了結晶方位,材料密度較小,從而不能獲得高的熱電性能。
(2)熔體結晶法。設備操作簡單,嚴格控制可獲得單晶或由幾個大晶粒組成的晶體,材料性能較好。缺點是不宜大批量生產,材料的機械強度差,切割的材料耗損較大。
(3)連續澆鑄法。宜於大批量生產。缺點是設備費用大,且不易控制。
(4)區域熔煉法。可獲得高質量的單晶材料,雜質分布均勻。缺點是價格昂貴,不宜大批量生產。
(5)單晶拉製法。可獲得高質量的單晶,但單晶爐的結構比較複雜。缺點是不適宜大批量生產。
(6)外延法製取薄膜。該法目前用於Bi2Te3薄膜生長。

分類

熱電材料種類繁多,如PbTe、ZnSb、SiGe、AgSbTe2、GeTe、CeS及某些Ⅱ-V族。Ⅱ-Ⅵ族、V-Ⅵ族化合物和固溶體,目前已有一百餘種。按工作溫度分類,可分4大類:

低溫材料

工作溫度約為200℃,主要是Bi2Te3及Bi2Te3為基的固溶體合金材料,常用於溫差致冷,小功率的溫差發電器(如心臟起搏器)和級聯溫差發電機的低溫段。溫差電材料的轉換效率一般為3%~4%。以Bi2Te3為基的溫差電材料具有最佳的優值和最大的溫度降。

中溫材料

工作溫度約為500~600℃,主要是PbTe、GeTe、AgSbTe2或其合金材料。PbTe早已用於工業生產,是較成熟的材料,它製備工藝較簡單,且可製成n型和p型材料。AgSbTe3具有極低的晶格熱導率,前途看好。中溫材料可用於溫差致冷(如PbTe等),而主要用於溫差發電機和級聯溫差發電機的中溫段,工作溫度的上限由材料的化學穩定性決定。材料的轉換效率一般為5%左右。

高溫材料

工作溫度約為900~1000℃,主要有SiGe、MnSi2、CeS等。SiGe合金是較成熟的合金材料。雖然製備工藝有一定難度,但機械強度大,工作溫度範圍寬,從室溫到900℃間的平均優值可達8.5×l0-3/℃,SiGe合金材料的理論轉換效率可達10%。

液態材料

工作溫度可高達數千度,主要使用於極高溫度的熱源。主要材料有Cu2s・Cu8Te2S等。目前,液態材料還處於研究階段。按功能分類,可分為兩大類:
(1)溫差發電材料。主要有ZnSb、PbTe、GeTe、SiGe等合金材料。半導體溫差發電機的特點是:無噪聲、無磨損、無振動、可靠性高、壽命長;維修方便;易於控制和調節,可全天候工作;可替代電池。半導體溫差發電機的熱源,可用煤油、石油氣以及利用Pu238、sr90、Po210等放射性同位素。
(2)溫差致冷材料。主要是鉍、銻、硒、碲組成的固溶體,通常是由Bi―Sb―Te組成p型材料,Bi―Se―Te組成n型材料。目前,半導體致冷器所用材料是Bi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3及其固溶體,其優值係數z為2~3×10-3/℃。通常把若干對溫差電偶排列成陣、組成半導體致冷電堆或組成級聯式致冷電堆。目前,一級半導體致冷電堆可達-40℃,兩級或三級的致冷器,其致冷溫度可達-80℃到-100℃。當然,致冷溫度愈低,效率和產冷量就愈低。

套用

(1)半導體溫差發電材料用於製備溫差發電機,已套用于海岸掛燈、浮標燈、邊防通訊用電源、石油管道中無人中繼站電源和野戰攜帶電源以及海底探查、宇宙飛船和各類人造衛星用電源。
(2)半導體溫差致冷材料,用於製造各種類型的半導體溫差致冷器,如各種小型冷凍器、恆溫器、露點溫度計、電子裝置的冷卻,以及在醫學、核物理、真空技術等方面都有套用。

發展趨勢

(1)尋求為滿足不同用途和更佳優值係數的新型半導體材料。
(2)對材料的研究愈來愈深入,如將p型Sb2Te3加入Bi2Se3中,組成四元合金,獲得較好的Z值。
(3)發展材料製備工藝,以獲得最佳的組織結構。例如,Bi2Te3及以其為基的固溶體在晶體結構上是輝碲鉍礦型結構,有強烈的方向性,平行於解理面的電導率σ是垂直於解理面的4~10倍,熱導率為3~5倍,溫差電優值係數約為2倍,所以取向晶體致冷元件正是利用晶體的這一特點。
(4)以多種材料,按不同的工作溫度範圍配套,改善優值係數。

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