钴基氧化物半导体温差发电材料热电性能的优化研究(2)
1.1 热电材料简介
热电材料是一种可以将热能和电能相互转换的功能材料，塞贝克效应及帕尔帖效应的先后发现，为热电效应转向实用领域提供了充分的理论依据，热电能量转换器和热电制冷都是对热电材料的应用实现的。当今，地球的上化石能源几近枯竭，人们开采化石能源的也越来越困难，能源危机已经到了燃眉的地步，因此我们需要寻找新的代替能源，这种能源必须环境友好并且可持续性强，发电的效率也要保证。在这种情况下，热电发电体现了其前所未有优越性，这也为热电材料的发展提供了契机。
当今太空已经成为大国必争之处，太空发展也是我国的重要战略。想要发展太空，航天器的能源问题必须得到保障，从目前来说使用同位素放热来提供能源这种方法还没有代替的方案（已充公运用于美国的一系列的航天器），因此提高热电转化效率显得极其重要。国民经济中，工业生产中工业废热通常都会直接辐射到大气中，不仅造成了温室效应，同时也是一种能源浪费，将这些废热利用起来同样可以提高企业的效益，热电材料效率如果够高温差发电将同样有很好的前景，热电材料使得上述的应用都具有发展前景。我们日常生活中的制冷机通常采用机械制冷，同样是热电材料，使用帕尔帖效应可以制作一类热电制冷机，这种制冷机有令人欣喜的优越性，只需通入电流就可以持续的制冷，没有压缩机所以没有噪音，没有制冷介质所以不用考虑污染，只需半导体元件及一些辅助元件既可以，所以体积会减小很多，同时还有控温精确，寿命长，响应快等优点。与此同时，制冷元件可以为超导材料提供低温环境，还可以利用热电材料制成微型电源等，这些应用否体现了热电材料与我们的生活息息相关。因此，热电材料具有巨大的研究价值，并在未来关系到我们生活的很多方面，尤其是在环境污染逐加重和能源危机日益显现的今天，新型高性能热电材料的开发研究具有极其重要的现实意义。
1.2 热电效应
我们常说的热电效应，就是在物体受热的时候，物体中的电子（空穴）会随着随着温度梯度的高到底从高温区向低温区移动，并产生电荷或电流累积的现象。这个效应的大小，可以用称为热电势(Q)的参数来表示，热电势的定义为Q=E/-dT(其中E是由于电荷累积而产生的电场，dT是温度的梯度)。
热电效应有Seebeek效应、Peltier效应、和Thomson效应三种，是一系列由于通入电流方向不同而引起的可逆热效应的总称。
Seebeck效应，简而言之，就是当两种不一样的导体构成之一个闭合回路时而两个接点的温度又不相同,电流就会在回路中产生。而在开路中,开路的两端就会出现电势差,这个电势差将引起闭合回路中产生电流，这就是Seebeck电势。如图1.1,当不同材料a、b两端接点存在小温差△T,这时产生Seebeck电势△V,定义Seebeek电势率αab=△V/△T;当△T→O,写成
其中αab为Seebeek系数,符号取决于组成接点温度及热偶的材料,通常如果在低温端电流方向是由a到b,则αab为正,αab的大小同样取决于两接点温度差及材料的组成。Seebeek效应同样可以在同一材料中产生。在同一种材料中(假如是N型半导体),如果我们对其中一段进行加热而对另一端进行冷却,则在热端,电子通常将获得较高的能量，费米狄拉克分布通常会使EF之上出现更多电子而EF之下出现较少的电子。因为高温端的电子具较高能量所以他们可以通过扩散来移动到较冷端，以通过这个过程来降低能量。因此,可以看出低温端为正极,而高温端为负极,这就是两端产生Seebeek电势的原理。
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