《Science》！热电转换效率测量系统PEM助力客户文章登上知名期刊

发布日期：2021-08-17

导读：当今，化石能源短缺和环境污染问题凸显，能源的多元化和高效多级利用成为解决能源与环境问题的一个重要途径。作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术热电转换技术受到学术界和工业界的广泛关注。热电转换技术是利用材料的塞贝克效应与帕尔贴效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷。这种技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物、适用温度范围广等特点。热电器件可以实现热能和电能的直接转换，在废热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值，对热电发电器件的能量转换效率进行精确测量是评价热电材料和器件性能的重要基础。

热电材料性能指标的关键在于能源转换效率，其由材料的无量纲热电性能优值（ZT值）决定。由ZT值的定义式（ZT = (Sσ/κ)T）可知，在给定温度T下，高性能热电材料应具有大的塞贝克系数S、高的电导率σ和低的热导率κ。然而，这些热电参数相互之间具有强烈的耦合关系，使得热电材料的性能优化挑战性，调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和热电转换效率的关键。随着热电材料领域的研究越来越受重视，不断涌现出了诸多提升ZT值的有效策略：优化载流子浓度以提高电导率；调整电子能带结构、晶体结构、相结构等优化电传输性能；通过引入点缺陷、位错、晶界、纳米级沉淀物等进行多尺度分层架构设计以降低热导率；探索和开发具有本征低热导率特性的新材料体系；通过高通量及基于基因计算等预测潜在热电材料等。

近日，北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授团队与南方科技大学、清华大学及武汉理工大学的科研团队合作，通过掺杂Pb，显著提高了p型SnSe晶体室温附近的电传输性能。该工作以《Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments》为题目发表在《Science》上。

以往研究中，多选用窄带隙或半金属材料作为热电制冷材料，赵立东教授课题组则主要开发宽带隙热电材料，利用各向异性调和电输运与热输运的矛盾。该研究通过在动量空间和能量空间同时作用的多价带协同传输策略，实现了p型SnSe晶体热电性能的显著提升；并制备了基于SnSe晶体材料的热电器件，测试其温差发电性能（大发电量及功率），还实现了大温差的电子制冷。这一研究表明SnSe基晶体材料在温差发电和电子制冷方面有巨大潜力，使用p型SnSe晶体制备的器件，其制冷性能达到了使用传统BiTe基材料商用器件的70%（210K温差下），但SnSe基热电材料具有成本低、重量轻且储量更加丰富等优势，具备十分巨大的应用价值。

图1. 使用PEM-2测得的温差发电器件性能：电压（A）和输出功率（B）

以上工作中，材料的电导率、塞贝克系数使用日本Advance Riko公司生产的塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3测得，热电转换器件（TEG）的发电量、输出功率及热电转换效率使用日本Advance Riko公司生产的热电转换效率测量系统PEM-2测得。

图2. 使用PEM-2测得的温差发电器件的转换效率

日本Advance Riko公司已专业从事“热”相关技术和设备的研究开发近60年，并一直走在相关领域的前端，为世界各地的科学研究及生产活动提供了诸如红外加热、热分析/热常数测量等系统。2018年初，Quantum Design 中国公司将日本Advance Riko公司的新先进热电材料测试设备：小型热电转换效率测量系统Mini-PEM、塞贝克系数/电阻测量系统ZEM、热电转换效率测量系统PEM及大气环境下热电材料性能评估系统F-PEM引进中国。

2018年7月，Quantum Design中国与日本Advance Riko达成协议，作为其热电材料测试设备在中国的代理商继续合作，携手将日本Advance Riko先进的热电相关设备介绍到中国。

目前，所有中国用户购买的日本Advance Riko热电产品，均由Quantum Design中国公司的工程师团队负责安装及售后服务。同时，Quantum Design 中国公司在日本Advance Riko公司的协助下，在北京建立部分热电设备示范实验室和用户服务中心，更好的为中国热电技术的发展提供设备支持和技术服务。

参考文献：

[1] Qin Bingchao et al., Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments, Science 30 Jul 2021: Vol. 373, Issue 6554, pp. 556-561

[2] 《Science》刊发北航赵立东教授课题组在电子制冷材料研究上的新进展，北京航空航天大学新闻网

[3] 南科大何佳清团队在Science发表SnSe热电材料和器件重要成果，南方科技大学新闻网

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