二元硫族热电材料的高通量计算和性能研究
发布时间：2022-01-08 13:51
热电材料是可以实现热能与电能直接相互转换的功能材料,其在解决能源与环境问题方面具有广阔的应用前景。但是,由于现有的热电材料存在各种问题,比如热电转化效率普遍偏低、很多材料含有有毒或昂贵元素、体系结构热力学稳定性差等缺点,使其不能大规模商业化应用。二元硫族化合物是一类重要的功能材料,其中包括了多种高性能热电材料。然而由于理论计算热电性质的复杂性和实验制备热电材料的困难性,还有大量的二元硫族化合物的热电性质还没有被理论和实验所研究过。因此,在本论文中,我们致力于发展高效评估材料热电性能的方法,对所有二元硫族化合物的热电性能进行高通量计算,筛选得到新型高性能热电材料,并对高性能热电材料的物理机制进行诠释。主要研究内容如下:一、利用弹性性质高效评估非简谐效应强度和晶格热导率:晶格热导率（κl）计算的困难限制了高通量筛选高性能热电材料的研究。为了减小晶格热导率的计算量,基于非简谐效应强度（Gruneisen参数,γ）的定义,我们推导出了一种利用弹性性质高效计算Y和κl的新方法。对于39种化合物,该方法的计算结果与实验值相吻合,验证了该方法的合理性。该方法模型简单、计算方便、快速有效,可以用来高通...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）和（ｂ）分别为Ｓｅｅｂｅｃｋ效应和Ｐｅｌｔｉｅｒ效应的示意图??
?第１章绪论???处的温度（ＴＤ高于Ｂ处的温度（Ｔ２），即ＴＰＴ２，根据Ｓｅｅｂｅｃｋ效应，回路中Ｒｌ??两端将产生温差电动势，可以对供电，此时该器件为热电发电器件；而当器??件接通电源Ｅ时，在Ａ处电流将从ｎ型材料流向ｐ型材料，根据Ｐｅｌｔｉｅｒ效应，??器件将在Ａ处吸热，此时该器件为热电制冷器件。利用该结构示意图，在忽略回??路中的接触电阻的条件下，热电器件的转换效率可以被简单地评估出来。??Ａ?＿??Ｔ?ｊ??Ｎ?Ｐ?＾??图１．２热电器件的结构示意图??研宄中，假设ｎ型和ｐ型半导体材料的电阻、热导、Ｓｅｅｂｅｃｋ系数和Ｐｅｌｔｉｅｒ??系数分别为Ｒｎ和Ｒｐ、ｋｎ和ｋｐ、ｓＮ和ｓＰ、ｎＮ和ｎＰ。对于热电发电器件，其发??电效率（０）为器件产生的电能（Ｗ）与器件消耗的总热能（Ｑ）之间的比值。在??器件接通负载Ｒｌ后（图１．２），当接触点Ａ处的温度高于Ｂ处的温度时（ＴＰＴ２），??根据Ｓｅｅｂｅｃｋ效应，回路中外接电阻（负载ＲＤ两端产生的温差电动势为??此时，回路中的电流为??ｊ?＿?（５ｐ－５Ａｆ）（ｒｉ－ｒ２）??Ｒｐ＋Ｒｎ＾－Ｒｌ??即器件的发电功率为??Ｗ?＝?Ｉ２Ｒｌ?＝?［ｆｃＭＺＷｋ）］２?Ｒ?（１．９）??在该回路中，除了流过外部负载的电流外，在热电器件内部也会产生大小为Ｉ的??电流。根据Ｐｅｌｔｉｅｒ效应，器件在Ａ处（内部电流的方向从ｎ型材料流向ｐ型材??料）会吸收一定的Ｐｅｌｔｉｅｒ热，且单位时间内吸收的Ｐｅｌｔｉｅｒ热为??Ｑｐ?＝?ｎＰＷ，?＝?（ｎｐ?—?ｎｗ）／?（ｉ?ｉ〇）??根据Ｋｅｌｖｉｎ关系，??Ｒｐｎ?＝?ＳｐｎＴ＼?（Ｉ＇ｌｌ）??单位时间内器件在Ａ
?第１章绪论???（ａ）?（ｂ）ｕ??ｒ，＝２９０ｌ￥??０．０４?．?■?■■?■?一－ｒ?■???????？?—?■￣￣—＾?１０??ｇ?８??Ｅ?０?０２????????２?ｅ?Ｘ??令?，?Ｊ６?／?？??００１?—７—－－?－?４??／?７＞２７〇Ｋ??〇〇?°－？?１?１４５?２５?３?３５?４?２??ＺｍＴｍ??０．５?１?１．５?２?２．５?３?３．５?４??ＺｍＴｍ??图１．３?（ａ）当高温热源温度为４００?Ｋ，低温热源温度为３６０?Ｋ时，热电发电器件的最大发??电效率（也ｎ？）随Ｉｎｋ的变化情况队（ｂ）当高温端温度为３００?Ｋ时，在不同低温端温度??下，热电制冷器件的最大制冷效率随无量纲热电优值（Ｚ＾Ｔｍ）的变化情况??从前面的讨论中可知，在ｎ型和ｐ型半导体材料共同构成的热电器件中，器??件的ＺｍＴｍ越大，器件的效率越高。为了使器件的之７？值达到最大，根据２？１的定义，??可得，两种材料的总电阻与总热导的乘积［０＾?＋?＾＞）（仏＋??／〇〇］应达到最小值。利用材料中电阻（／？）和热导（／〇与电阻率（ｐ）、热导率??（ｋ）、横截面积ｕ）和长度ａ）之间的关系??／？?＝?ｐｉ，?Ｋ?＝?ｋ＾?（１．２９）??可得，可表不为??（ｉ？Ｎ?＋?ＲＰ）（ＫＮ?＋?ＫＰ）?＝?（ｊ）Ｎ?＾?＋?Ｐｐ?｛ＫＮ￣ｊｆ＇＋?ｋｐ??＝ＰｎＫｎ?＋?ｐｐＫＰ?＋?＾；ＰｐＫＮ?＋?Ｔ＾；Ｐｎｋｐ?（１－３０）??当（？＋心）（心＋心）最小时，令？义）］．＝〇，可以得到两种半导体材??Ｏ＾ＬｐＡｊ＾／Ｌｆ＾Ａｐ）??料应满足??ＩｎＡｐ?＝?ｆＰＰ］Ｗ
本文编号：3576670
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：144 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?（ａ）和（ｂ）分别为Ｓｅｅｂｅｃｋ效应和Ｐｅｌｔｉｅｒ效应的示意图??
?第１章绪论???处的温度（ＴＤ高于Ｂ处的温度（Ｔ２），即ＴＰＴ２，根据Ｓｅｅｂｅｃｋ效应，回路中Ｒｌ??两端将产生温差电动势，可以对供电，此时该器件为热电发电器件；而当器??件接通电源Ｅ时，在Ａ处电流将从ｎ型材料流向ｐ型材料，根据Ｐｅｌｔｉｅｒ效应，??器件将在Ａ处吸热，此时该器件为热电制冷器件。利用该结构示意图，在忽略回??路中的接触电阻的条件下，热电器件的转换效率可以被简单地评估出来。??Ａ?＿??Ｔ?ｊ??Ｎ?Ｐ?＾??图１．２热电器件的结构示意图??研宄中，假设ｎ型和ｐ型半导体材料的电阻、热导、Ｓｅｅｂｅｃｋ系数和Ｐｅｌｔｉｅｒ??系数分别为Ｒｎ和Ｒｐ、ｋｎ和ｋｐ、ｓＮ和ｓＰ、ｎＮ和ｎＰ。对于热电发电器件，其发??电效率（０）为器件产生的电能（Ｗ）与器件消耗的总热能（Ｑ）之间的比值。在??器件接通负载Ｒｌ后（图１．２），当接触点Ａ处的温度高于Ｂ处的温度时（ＴＰＴ２），??根据Ｓｅｅｂｅｃｋ效应，回路中外接电阻（负载ＲＤ两端产生的温差电动势为??此时，回路中的电流为??ｊ?＿?（５ｐ－５Ａｆ）（ｒｉ－ｒ２）??Ｒｐ＋Ｒｎ＾－Ｒｌ??即器件的发电功率为??Ｗ?＝?Ｉ２Ｒｌ?＝?［ｆｃＭＺＷｋ）］２?Ｒ?（１．９）??在该回路中，除了流过外部负载的电流外，在热电器件内部也会产生大小为Ｉ的??电流。根据Ｐｅｌｔｉｅｒ效应，器件在Ａ处（内部电流的方向从ｎ型材料流向ｐ型材??料）会吸收一定的Ｐｅｌｔｉｅｒ热，且单位时间内吸收的Ｐｅｌｔｉｅｒ热为??Ｑｐ?＝?ｎＰＷ，?＝?（ｎｐ?—?ｎｗ）／?（ｉ?ｉ〇）??根据Ｋｅｌｖｉｎ关系，??Ｒｐｎ?＝?ＳｐｎＴ＼?（Ｉ＇ｌｌ）??单位时间内器件在Ａ
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