CoSb3基半导体温差发电材料的热电性能优化研究(2)
具体的说，在能源回收利用方面，人们比较关注对于余热的处理。由于设备的设计和布置很大一部分的热能在能源利用设备中没有被利用。据新闻报道，各行业的废热余热占燃烧消耗总量的17%-67%，其中60%的余热废热是可以被回收再利用的。如果有合适的技术手段可以将其转化为电能并加以利用，既可以减少环境污染也可以获得大量的电能促进能源的再利用，这对整个经济持续性发展来说是有利的。
近年来，热电材料由于其能够实现电与热两种能量间的相互转化并在各类器材中有广泛的应用吸引了材料科学界的极大关注。而且新型先进材料的陆续问世，愈发先进的制备工艺技术，使得热电材料的性能得到显著的提高。方钴矿型热电材料[2-4]便是近年来极具潜能的热电材料之一，并近年来被广泛研究，这也是本论文研究的对象。
1.2热电效应的基本原理和性能参数
1.2.1热电效应的基本原理
我们把温度差引起的电效应和电流引起的可逆热效应总称为热电效应，它包括了Seebeck效应，Peltier效应， 和Thomson效应。
Seebeck效应与Peltier效应
1821年Seebeck发现,当不同的材料A和B组成回路时,若且两接触温度不同时,则在回路中存在电动势，这种效应称为Seebeck效应[5]。在温差不大的情况下，电动势与温度差有线性关系。
(1-1)
此效应主要应用于热温差发电。式中为SAB两种不同材料A,B的相对Seebeck系数，该系数随着温度变化而发生变化，还与两种材料的自身物理特性有关。
1.1a Seebeck效应的原理 1.1b Peltier效应的原理
Peltier效应与Seebeck效应相反，于1834年由Peltier所发现[5]。 当两种不同的材料组成回路并有电流在回路中通过，将使得其中一接口放热，另一接口吸热。当电流方向相反时，吸放热的接口也跟着相应地改变。
Thomson效应
1851年Thomson根据热力学理论提出，在具有温度梯度的均匀导体上通电时会伴随着吸热和放热现象的的产生[5]。其含义为，在单位时间dt和单位体积内吸收和放出的热量dQ与电流密度Ј和温度梯度ΔT所成比例的数值关系，即dQ/dt=βЈ/ΔT，其中β称为Thomson系数。
图1.2 Thomson效应的原理
1.2.2热电转换效率
功率因子
功率因子对于热电材料的效率有极大的决定作用[6]。 功率因子的表达式为
Thermal power =S2σ。一般情况下，可以认为简并半导体里的载流子按费米函数分布，并且认为此时载流子单带输运。Seebeck系数可以表达为：
（1-2）
电导率表示为：
σ=neμ （1-3）
其中n为载流子浓度，μ为载流子的迁移率(m2V-1s-1)。可以看出Seebeck系数与有效质量m*成正比，另一方面m*越大μ越小从而导致电导率σ较小。所以可以说Seebeck系数和电导率σ变化趋势是相反的。这说明，只有达到最佳的掺杂浓度时，才能获得最佳的功率因子。
热电优值
热电优值是一个与材料的外形尺寸无关的无量纲的量，它的表达形式为
（1-4）
其中S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率。材料的热导率主要包括载流子热导率κc和晶格热导率κL两部分，但是对于工作范围为中温区和高温区的热电材料，可能在工作温度下发生本征激发现象，这时就提供了额外的导热途径，即少数载流子的导热，从而引起热导率的上升。因此，总热导率拥公式表述为：