小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM

產品概念圖：

設備結構：

樣品準備與測試數據：

分析軟件：

附：

熱電材料/器件測試設備

應用方向：

♦  發電量和熱流量的測量；

♦  計算熱電材料模塊的熱電轉換效率；

♦  測量單熱電材料發電量及熱流；

♦  熱電材料性能和壽命評估。

參數配置：

應用案例

■  熱電材料的性能評價

熱電轉換技術是用材料的塞貝克效應和佩爾捷效應將熱能和電能進行直接轉換的技術，包括熱電發電和熱電致冷。這種技術具有系統體積小、可靠性高、不排放污染物質、適用溫度范圍廣等點。它作為種殊電源和高精度溫控器件，在空間技術、軍事裝備、信息技術等高新技術域獲得了普遍應用。盡管熱電材料具有如此多的點，有望在人類生活的各個方面發揮巨大的作用，但是目前現有的熱電材料的轉換效率還比較低，限制了熱電材料的廣泛應用。在科研工作中通常使用熱電值（ZT值）來衡量熱電材料的轉換效率，為了有較高熱電值ZT，材料必須有高的塞貝克系數(S)，高的電導率與低的導熱系數。

近日，來自日本產業技術研究所（AIST）的科研人員使用日本ADVANCERIKO公司的小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM評價了Bi₂Te₃合金的熱電性能?？蒲腥藛T使用摻雜了Sb或Se的Bi2Te3合金制備了如圖1的單偶熱電器件來測量熱電轉換效率。

圖1a Mini-PEM樣品單元示意圖

圖1b Bi₂Te₃合金單偶熱電器件

當熱端溫度為50℃、100℃、150℃、200℃和220℃時，分別測量各個溫度下冷卻循環水的進口溫度與出口溫度，待溫度穩定再后進行電學測量（Voltage/Current），后分別繪制電壓、輸出功率、熱流量和熱電轉換效率與電流關系的曲線。（圖2）

圖2 電壓、輸出功率、熱流量和熱電轉換效率與電流的關系曲線

科研人員還使用了同樣是日本ADVANCERIKO公司產品的塞貝克系數/電阻測量系統ZEM-3和激光熱導儀分別測量了材料（來自同批次熱壓法制備的Bi₂Te₃合金）的熱電轉換參數（電阻率、熱導率、塞貝克系數和熱電值ZT），結果見圖3。

圖3 材料的熱電參數：電阻率（a）、熱導率（b）、塞貝克系數（c）和熱電值（ZT）

由以上測量結果可以得知，電壓、功率、熱流量和熱電轉換效率均與電流相關。當溫度差增加時，以上各項均增大。熱流量是通過測量冷卻循環水的進出口溫度計算得到的。當熱端溫度為220℃時，可以測得大的功率（0.14W）和熱電轉換效率（3.1%）。

參考文獻：

[1]  XIAOKAI HU, KAZUO NAGASE, PRIYANKA JOOD, MICHIHIRO OHTA, and ATSUSHI YAMAMOTO. Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 44, No. 6, 2015.

發表文章

1. P. Jood et al. / J. Mater. Chem. A, 2020,8, 13024-13037 

2. Z. Ge et al. / Chemical Engineering Journal 2020, 126407 

3. X. Hu et al. / Journal of Electronic Materials Volume 44, pages 1785–1790 

4. Y. Takagiwa et al. / ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 43, 48804–48810

用戶單位：

清華大學

南方科技大學

中國科學院物理研究所

昆明理工大學

太原理工大學