上海矽酸鹽所在熱電器件研究中取得進展

2020-09-22 小材科研

熱電發電器件是利用半導體材料的澤貝克效應將熱能直接轉換成電能，可用於空間特種電源、工業餘廢熱回收等領域。在實際應用中，轉換效率和功率密度是熱電發電系統設計的重要技術指標。長期以來，熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉換效率的最大化，而另一個關鍵性能參數——功率密度一直被忽略。開發同時具有高轉換效率和高功率密度，即：「雙高」熱電發電器件，已成為推進熱電發電技術實用化的關鍵。

傳統熱電材料和器件研究方法是通過材料性能優化獲得具有最高熱電優值zT的熱電材料，再基於該材料開展器件的結構設計，以期獲得最佳的轉換效率。這一研究思路將材料優化與器件設計分割成兩個獨立的階段，即：材料研究追求高zT值，器件研究利用最高zT值的材料力求實現最高轉換效率。由於最高zT值材料對應的電、熱輸運性能是通常是固定不變的，並且最高轉換效率和最大功率密度對應的器件結構參數也不同，因此造成最佳功率密度和最佳轉換效率無法在同一器件中同時實現。實際應用時，為了獲得高轉換效率，必須犧牲一定的功率密度，這也限制了熱電器件的應用。

熱導率匹配設計「雙高」熱電器件。（a） 估算的熱電優值、功率因子、熱導率與載流子濃度關係圖。（b）利用圖a結果計算器件的最大功率密度和最大轉換效率。

雙高器件的最大轉換效率和最大功率密度與公開報導的單級和級聯熱電器件（不含單臂或單偶元件）性能的對比

最近，中國科學院上海矽酸鹽研究所陳立東研究員、柏勝強正高級工程師團隊與浙江大學朱鐵軍教授合作，提出了由「器件設計」指導「材料優化」的反向設計策略，利用「功率因子優先」和「熱導率匹配」準則實現了器件的「雙高」性能。基於該策略，通過有限仿真模擬提出了雙高器件所需的n型和p型半赫斯勒材料最佳匹配的熱導率和功率因子範圍。根據這一結果，通過調節n型材料的載流子濃度，獲得了最佳的功率因子以及與p型材料匹配的熱導率。在未使用最高zT值熱電材料的條件下，器件在溫差為680K時最大轉換效率達到10.5%，最大功率密度達到3.1Wcm-2，同時打破了單級熱電器件轉換效率與功率密度的記錄。反向設計策略改變了傳統單一追求高zT值和高轉換效率的熱電材料和器件的研究思路，為可實用化高性能熱電器件的設計研發提供了新途徑，可推廣應用於其他熱電材料體系。

論文要點：1、提出了「雙高」TE模塊從器件到材料的設計策略；2、建立了功率因數優先原則和熱匹配準則；3、模塊的效率高10.5%,功率密度的3.1 Wcm−2ΔT = 680 K。

相關成果發表於Joule, 2020, doi: 10.1016/j.joule.2020.08.009。 該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會的資助和支持，2015級直博生邢雲飛與劉睿恆副研究員為共同第一作者。

來源：上海矽酸鹽所、新材料資訊

論文連結

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120303901

相關焦點

  • 上海矽酸鹽所在柔性有機/無機熱電複合材料研究中取得進展
    上海矽酸鹽所在柔性有機/無機熱電複合材料研究中取得進展 2020-06-01 上海矽酸鹽研究所 　　最近，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員史迅、陳立東、副研究員仇鵬飛、瞿三寅等與美國克萊姆森大學教授賀健合作，提出了一種維度匹配的熱電複合材料設計新策略，即使用同樣具有一維結構的無機半導體材料製備高性能PVDF/Ta4SiTe
  • 上海矽酸鹽所舉辦國際熱電材料及器件研討會
    第一屆上海國際先進材料——熱電材料及器件研討會於11月9日至11日在蘇州召開。國際熱電協會主席、美國密西根大學C. Uher教授和中國科學院上海矽酸鹽研究所黨委書記王龍根到會並致賀辭。研討會由中國科學院上海矽酸鹽研究所副所長陳立東研究員主持。    本次會議邀請美國橡樹嶺國家實驗室的B. Sales博士、美國JPL的T.
  • 上海矽酸鹽所有機熱電材料研究取得進展---中國科學院
    上海矽酸鹽所有機熱電材料研究取得進展 2020-10-20 上海矽酸鹽研究所 【字體：　　近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所副研究員李慧和研究員陳立東利用功能基元隨機共聚策略，將給-受體型構築單元和聯噻吩單元通過Stille偶聯反應共聚，獲得一系列新型導電高分子，實現摻雜效率和遷移率的協同優化，為高性能聚合物熱電材料的結構設計提供新方案。
  • 上海矽酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進展
    上海矽酸鹽所在新型鐵電陶瓷研究方面取得進展 2020-05-26 上海矽酸鹽研究所 【字體：　　近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員董顯林和王根水帶領的研究團隊發現了一種新型、高性能、無鉛鐵電材料(Ag0.935K0.065)NbO3（
  • 同濟蔡克峰教授課題組在柔性熱電材料方向研究取得重要進展
    同濟蔡克峰教授課題組在柔性熱電材料方向研究取得重要進展 來源：材料科學與工程學院   時間：2019-07-11  瀏覽：
  • 微電子所在阻變存儲器的傳輸機制研究中取得進展
    日前，中國科學院微電子研究所納米加工與新器件集成技術研究室在阻變存儲器（RRAM）的傳輸機制研究中取得新進展。　　RRAM是重要的下一代新型存儲器，具有結構簡單、高速、低功耗和易於3D集成等優點。如何精確的測試導電通路內部的載流子傳輸機制是目前RRAM器件研究中亟待解決的重要問題之一。　　微電子所劉明研究員領導的課題組在RRAM的阻變機理研究方面取得了一系列進展。繼用實驗手段直接觀測到RRAM器件中導電通路的動態生長過程（Adv. Mater.
  • 中國實驗室:上海矽酸鹽研究所熱電發電 材料研國際領先,清華重陶瓷...
    中科院上海矽酸鹽研究所「汽車尾氣發電」，大學實驗室側重教學和科研，研究方向各有特色，國瓷材料、北新建材、金剛玻璃無機非金屬領域研究領先理財周報材料科學實驗室研究員 張偉賢/撰述與此前研究的高分子材料、納米材料和生物材料相比，新型無機非金屬材料的研究略顯「冷清」，不過國內無機非金屬研究所中依舊不乏佼佼者
  • 上海矽酸鹽所等在n型高性能類金剛石結構熱電材料研究中獲進展
    上海矽酸鹽所等在n型高性能類金剛石結構熱電材料研究中獲進展 2018-01-10 上海矽酸鹽研究所 類金剛石結構化合物的本徵低熱導率和可調控的電學性能使其有望成為優異的熱電材料。自2009年，中國科學院上海矽酸鹽研究所熱電研究團隊首次報導四元化合物Cu2CdSnSe4和Cu2ZnSnSe4的熱電性能之後，類金剛石結構化合物獲得了熱電研究領域的廣泛關注。迄今為止，已經有20餘種類金剛石結構化合物的熱電性能被報導，其中多種p型材料的熱電優值高於1，與傳統熱電材料相媲美。
  • 上海矽酸鹽所在新型高功率儲能電極材料研究方面取得系列進展
    鋰離子電池和超級電容器是儲能原理不同、各有特點的兩類代表性儲能器件。鋰電池能量密度高（~250 Wh kg-1），但功率密度偏低（<1 kW kg-1），而超級電容器功率密度高（~15 kW kg-1）但能量密度過低（<20 Wh kg-1）。超越上述兩類儲能器件的儲能極限，發展兼具高能量密度和高功率密度儲能器件的新型電極材料，是化學儲能領域極具挑戰性的世界性難題。
  • 研究人員在熱電器件轉換效率與功率密度上取得重大突破
    長期以來，熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉換效率的最大化，而功率密度一直被忽略。開發同時具有高轉換效率和高功率密度，即：「雙高」熱電發電器件，已成為推進熱電發電技術實用化的關鍵。
  • 上海矽酸鹽所在納米催化醫學研究中取得進展
    「納米催化醫學」是由中國科學院院士、中科院上海矽酸鹽研究所研究員施劍林團隊提出的學術思想，旨在通過響應腫瘤部位的特異內場微環境或外源性雷射、超聲作用場，利用無毒/低毒納米材料所引發的瘤內原位催化反應，高效實現腫瘤細胞的氧化損傷及細胞死亡。
  • 利用「器件」指導「材料」的反向設計實現「雙高」熱電器件
    最近，中國科學院上海矽酸鹽研究所陳立東、柏勝強團隊和浙江大學朱鐵軍教授合作，提出了一種由「器件設計」指導「材料優化」的反向設計策略，利用「功率因子優先」和「熱導率匹配」的準則，成功實現了「雙高」熱電器件。
  • 先進熱電材料與器件設計的研究進展
    綜述從熱電轉換基本原理出發，總結了近年來高性能熱電材料與器件設計的最新研究進展，包括不斷完善的熱電性能優化機制、先進的熱電材料與器件製造工藝，能帶和結構工程的廣泛應用、多維熱電材料的應用前景及探索，以及多元化的熱電器件設計思路。2.
  • 上海矽酸鹽所在3D列印生物醫用材料研究中取得系列進展
    近期，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究小組首次提出將骨組織工程與光熱治療相結合的思想，在製備用於治療與修復骨腫瘤缺損的光熱功能化的生物活性陶瓷支架的研究中取得了新進展。該研究通過3D列印技術製備出生物陶瓷與氧化石墨烯複合支架(見圖1)，在超低功率近紅外光下可使支架溫度迅速升高，且其光熱性能可控。在體外骨腫瘤細胞殺傷率達到90%（見圖2）。
  • 合肥研究院固體所在高通量篩選二元硫族化合物熱電材料研究中取得...
    合肥研究院固體所在高通量篩選二元硫族化合物熱電材料研究中取得進展 2020-03-12 合肥物質科學研究院 　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員張永勝課題組在高通量篩選二元硫族化合物熱電材料研究中取得新進展。
  • 物理所在高性能緊湊型柔性熱電模塊研究中取得進展
    熱電模塊能把產生於自然熱源（如太陽能或地熱能）的熱能和工業、生活廢熱直接轉換為有價值的電能，實現能源的循環利用，也可用於固態製冷，在能源危機和環境汙染日益嚴重的今天，具有重大的意義。面對傳統無機熱電材料存在的不足，對環境友好且價格低廉的新型柔性熱電材料引起了研究者的巨大關注。由於在熱電模塊中，p型和n型熱電材料組成的熱電偶是基本工作單元。
  • 華中科大楊榮貴教授團隊在柔性熱電器件研究取得重大進展
    在柔性熱電器件方面的最新研究論文《可自我修復，可回收和樂高式模塊化的高性能可穿戴熱電發電機》（High-performance wearable thermoelectric generator with self-healing, recycling, and Lego-like reconfiguring capabilities
  • 上海矽酸鹽所在「計算電化學」設計電池材料領域取得系列進展
    中國科學院上海矽酸鹽研究所劉建軍研究員帶領的科研團隊多年來聚焦「計算電化學」設計電化學儲能材料研究領域，形成計算局域結構（表/界面結構、配位結構）電荷轉移能力表徵電化學活性的特色方向，結合「材料基因」的理念設計高性能電化學儲能材料。近日，該科研團隊在「計算電化學」設計鋰氧氣電池正極材料和金屬有機電極材料領域取得系列進展。
  • 【本期關注】中科院工程熱物理研究所在單晶熱電纖維研究方面取得新進展
    單晶材料由於其優越的機械穩定性、低光學損耗和優良的導電性能，在高性能光學和半導體工業中應用廣泛。
  • 上海矽酸鹽所：薪火相承一甲子 材料築夢新時代
    上世紀80年代，應國際知名高能物理學家、諾貝爾獎獲得者丁肇中邀約，上海矽酸鹽所為歐洲核子研究中心（CERN）建設世界最大正負電子對撞機研製大尺寸、高質量鍺酸鉍（BGO）晶體。大尺寸BGO晶體的成功研發，為上海矽酸鹽所在晶體界和國際高能物理界贏得了極高的聲譽，創造了改革開放後我國科學家參與國際競爭的一個裡程碑式的成就。「坩堝下降法工業生產鍺酸鉍大單晶方法」獲1988年國家發明獎一等獎。