陈立东、柏胜强等Joule：热电器件研究中取得进展

renne

热电发电器件是利用半导体材料的泽贝克效应将热能直接转换成电能，可用于空间特种电源、工业余废热回收等领域。在实际应用中，转换效率和功率密度是热电发电系统设计的重要技术指标。长期以来，热电器件的研究聚焦在如器件能量转换效率的最大化，而另一个关键性能参数——功率密度一直被忽略。开发同时具有高转换效率和高功率密度，即：“双高”热电发电器件，已成为推进热电发电技术实用化的关键。

热导率匹配设计“双高”热电器件。（a） 估算的热电优值、功率因子、热导率与载流子浓度关系图。（b）利用图a结果计算器件的最大功率密度和最大转换效率。

双高器件的最大转换效率和最大功率密度与公开报道的单级和级联热电器件（不含单臂或单偶元件）性能的对比

　　传统热电材料和器件研究方法是通过材料性能优化获得具有最高热电优值zT的热电材料，再基于该材料开展器件的结构设计，以期获得最佳的转换效率。这一研究思路将材料优化与器件设计分割成两个独立的阶段，即：材料研究追求高zT值，器件研究利用最高zT值的材料力求实现最高转换效率。由于最高zT值材料对应的电、热输运性能是通常是固定不变的，并且最高转换效率和最大功率密度对应的器件结构参数也不同，因此造成最佳功率密度和最佳转换效率无法在同一器件中同时实现。实际应用时，为了获得高转换效率，必须牺牲一定的功率密度，这也限制了热电器件的应用。
　　最近，中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东研究员、柏胜强正高级工程师团队与浙江大学朱铁军教授合作，提出了由“器件设计”指导“材料优化”的反向设计策略，利用“功率因子优先”和“热导率匹配”准则实现了器件的“双高”性能。基于该策略，通过有限仿真模拟提出了双高器件所需的n型和p型半赫斯勒材料最佳匹配的热导率和功率因子范围。根据这一结果，通过调节n型材料的载流子浓度，获得了最佳的功率因子以及与p型材料匹配的热导率。在未使用最高zT值热电材料的条件下，器件在温差为680K时最大转换效率达到10.5%，最大功率密度达到3.1Wcm-2，同时打破了单级热电器件转换效率与功率密度的记录。反向设计策略改变了传统单一追求高zT值和高转换效率的热电材料和器件的研究思路，为可实用化高性能热电器件的设计研发提供了新途径，可推广应用于其他热电材料体系。相关成果发表于Joule, 2020, doi: 10.1016/j.joule.2020.08.009。
　　该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会的资助和支持，2015级直博生邢云飞与刘睿恒副研究员为共同第一作者。


      文章来源：上海硅酸盐所
      陈立东，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员。1960年生，1981年毕业于湖南大学，1984年10月赴日本留学，1990年4月获日本东北大学获工学博士学位。先后在日本RIKEN株式会社（Chief Engineer）、日本航空宇宙技术研究所（特别研究员）、美国密西根大学物理系（访问学者）、日本东北大学金属材料研究所（助手，副教授）任职和工作。2001年获中国科学院海外杰出人才引进计划（百人计划）资助进入上海硅酸盐研究所工作，2003年获国家杰出青年基金资助，2004年获得上海市优秀留学回国人才奖和中国科学院百人计划终期评估优秀。现任中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室主任，国际热电学会理事会理事，亚洲热电联盟主席。