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热电学的基本原理

提供者:北京华测试验仪器有限公司   发布时间:2021/1/6  阅读次数:249次   进入该公司店铺我要询价

       图1显示了热电器件运用塞贝克效应实现温 差发电(左图)和帕尔贴效应实现热电制冷(右图) 的示意图。在左图中上端,N型半导体和P型半 导体通过电导率较高的导流片连接,而下端则连 接有外部闭合电路。如果在半导体端提供热 源,另端散热,由于塞贝克效应,半导体两端 会产生个电势差导致外部电路的灯泡发亮。其 基本原理是由于方面热端载流子具有比冷端附 近载流子更高的动能,另方面半导体材料中热 端附近受热激发进入导带或价带的载流子数量也 将高于冷端附近,从而引起材料内部载流子从热 端到冷端的扩散。这样,冷端附近由于载流子的 聚集会形成个自建电场从而阻碍从热端向冷端 输运的载流子。当这过程终趋于平衡时,导 体内则不再有电荷的定向移动,此时导体两端也 就产生出个与之相关的电动势即塞贝克电势。 右图中表示当N型半导体和P型半导体组成的回 路中通有电流时,由于帕尔贴效应,将在右图半 导体材料上端发生吸热,而在下端放热,其作用 就相当于个制冷器。这过程的发生是由于在 不同半导体材料中载流子具有不同的势能,当载 流子从种导体进入到另种导体,为了达到新 的能量平衡,需要在异种材料之间的结合界面处 与附近的晶格进行能源交换,从而在宏观上产生 界面附近的吸热或放热现象。
       上面已提到,热电材料发电和制冷的效率与热电优值Z直接相关,热电优值Z越大,其能量转换效率越高。因此,热电研究直观的目标 就是提高材料的热电优值Z。但是,决定热电优 值Z的三个物理参数塞贝克系数a、电导率s和热 导率k之间相互关联,很难通过独立调控其中的 某个参数实现热电优值的显著提升,这也是目 为止很少有材料体系的ZT值突破2的主要原因。 幸运的是,固体理论已能在微观上对上述三个参 量的物理本质予以阐明。对于优良的热电材料, 它们的典型数值范围在实验和理论上得到充分证 实,目形成了套比较完整的电输运和热输运 的调控思路。下面我们将对相关因素以及它们之间的内在关联进行详细讨论。

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