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关于Bi2Te3/ Sb2Te3温差电池的初步研究

资源天下2019/4/8 20:32:48

摘要
制备127对Bi2Te3/Sb2Te3温差电池并测量电池性能研究表明电池的温度梯度为15时输出电压最大输出功率可达到0.08V和1.2W且两者均随着温差的增大而增大此外我们探讨了内阻随着温差的变化机理
关键词温差电池Bi2Te3Sb2Te3

1.介绍
21世纪以来全球面临着能源短缺与环境污染双重挑战因此风能太阳能等绿色能源逐步受到重视温差发电技术作为一种可以利用太阳能地热汽车废热及工业废余热将热能转化为电能的绿色环保发电技术逐渐得到了重视它能将废旧热的变废为宝实现能源的可持续利用
温差电池利用塞贝克效应将热能直接转换成电能?#19988;?#31181;绿色装置[1]具有广泛的优越性温差电池绿色环保无噪声无污染且无需任何后续的维护具有较好的灵敏性体积小灵活方便成本低?#35270;?#20110;任何存在温度梯度的场合其中Bi2Te3/Sb2Te3两种材料是窄禁带宽度的半导体材料?#35270;?#20110;室温下的热电装置[1]
温差电池也面临着巨大的挑战其转换效率较低且输出电压较低大大抑制了温差电池的实用性?#26102;?#35770;文针对室温下效率相对较高的Bi2Te3/Sb2Te3温差电池展开研究通过测量不同温度梯度下Bi2Te3/Sb2Te3温差电池的性能探讨室温下温差电池的发电机理寻找温差电池发电效率较低的根源为后续同行对温差发电的研究打下基础

2.原理
如图1所示当两种不同的导体或者半导体A与B一端相互接触形成闭合回路且置于高温环境T2中而AB的另一端置于相对低温环境T1中那么此时AB的低温端之间会存在一个电势差这个电势差一般称为温差电动势其数值大小取决于AB两种材料的?#26087;?#24615;质和两端之间的温度梯度大小即|T2-T1|的值也称温差电动势为塞贝克电动势当|T2-T1|相差不大时所获得的温差电动势V与|T2-T1|的比?#24403;?#23450;义为回路的塞贝克系数SAB常用单位为V/K数学表示为[2]:

图1 塞贝克效应示意图

3.实验过程与结果分析
我们将127对Bi2Te3/Sb2Te3温差热电腿串联并用单层陶瓷将其双面封装封装后的尺寸为长40mm宽40mm厚3.4mm将此温差热电装置置于一定温度梯度下测量电池的输出电压并计算最大输出功率
相关测量和计算的结果如图2所示其中a图是输出电压随着温度梯度的变化情况从图中可以看出随着温度梯度的升高输出电压基?#22659;?#29616;线性递增趋势根据[2],当温度梯度升高即热端温度升高时由于载流子受热激发P型半导体中产生出更多的空穴N型半导体中产生更多的电子在浓度梯度的内电场作用下P型半导体热端的空穴和N型半导体热端的电子都将倾向于向冷端流并最终在电极上积累随着热端温度的升高两电极之间的电势差越来越大所以输出电压越来越大 [2]通过可计算得出单对电腿的塞贝克系数约为42.6V/K

图2a输出电压随着温度梯度的变化情况b电池内阻随着温度梯度的变化情况c最大输出功率随着温度梯度的变化情况

由于电池?#21069;?#23548;体材料其伏安特性是非线性的为了定性研究电池内阻随着温度的变化情况我们给电池外加了固定的电压在此前提下图2的b图?#25925;?#20102;随着温度梯度的升高温差电池的内阻逐渐变大为了说明问题以N型电腿为例根据[2], 其中是电腿的电阻率其中n是电?#20248;?#24230;e是电荷是电子迁移率当热端温度在一定范围内升高时虽然电?#20248;?#24230;有所上升但由于内部载流子之间的碰撞更加明显且电腿内部晶格的振动也会随着温度的上升而加大从而降低电子迁移率最终导致电池阻值的上升
由电?#24223;?#20851;知识得知一个实际电压源的最大输出功率可由得出故根据图2的a图和b图可计算得出本实验中温差电池的最大输出功率随着相应温度梯度的变化情况如图2-c所示可以看出随着温度梯度的升高电池的最大输出功率也在逐步上升当电池两端的温度梯度达到15时127对电腿的最大输出功率也达到了1W左右
3. 结未完下一页

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