柔性電子 熱電效應: 塞貝克(seebeck )效應 帕爾貼(Peltier)效應和 湯姆遜(Thomson )效應
本文主要講述熱電效應的三個基本原理:
- 1 塞貝克效應 seebeck effect
- 2 帕爾貼效應 Peltier effect
- 3 湯姆遜效應 Thomson effect
- 4 熱點轉換效率 與熱電優值 的關係
ZT (thermoelectric figure of merit) 熱電優值
1. 熱電效應的三個原理
1.1 塞貝克效應
在熱電材料中,由自由電子或空穴攜帶電荷和熱量。熱電半導體材料中的電子和空穴表現的像帶電粒子的氣體,如果一個正常的(不帶電的)氣體放置在一個溫度梯度的盒體內,一端為冷而另一端熱,則熱端的氣體分子的運動比冷端更快,更容易擴散,因此冷端分子密度很高,密度梯度將驅散分子擴散回熱端。在穩定狀態下,密度梯度的影響將完全抵消溫度梯度的影響,因此不存在分子的淨流量。如果分子帶電,冷端電荷的集聚也會產生一個排斥靜電場(電勢),將電荷推回到熱端。由溫差產生的電勢(電壓)稱為塞貝克效應。
在這裡就是電壓和密度共同的作用與溫差作用相抵消
塞貝克效應電勢差的計算公式:
其中,
分別為兩種材料的塞貝克係數,T為溫度。如果
不隨溫度變化,則上式可簡化為:
1.2 帕爾貼效應
帕爾貼發現電流會在兩種不同金屬的結合處產生加熱或冷卻。1838年, Lenz表明, 根據電流的方向,熱量可以從金屬的交匯處散去從而將水結成冰,也可以通過逆電流, 在交匯處產生熱量來融化冰。在金屬交匯處吸收或產生的熱量與電流成正比,這種現象稱為帕爾貼效應。
吸收或釋放的熱量滿足一下關係:
,其中,
分別是導體X和導體Y的帕爾貼係數
1.3 湯姆遜效應
二十年後,湯姆遜發表了對塞貝克和帕爾貼效應的全面解釋, 並描述了他們之間的相互關係(稱為凱爾文關係),
,簡單推導如下:
假設交匯處的電阻為
,則:
,所以
這種熱力學推導導致了湯姆遜預測了第三種熱點效應,湯姆遜效應。在湯姆遜效應中,當電流流過具有溫度梯度三維材料時,熱量被吸收或者產生,熱量與電流和溫度梯度成正比,比例常數為湯姆森係數。
以
表示電流密度,在單位時間內,單位體積的導體放出的湯姆熱為:
式中
為湯姆遜係數,它與溫度和材料性質有關
2. ZT
Thermoelectric efficiency( )與材料品質因數( )直接相關:
ZT值,又叫熱電優值(thermoelectric figure of merit)。它是衡量熱電材料熱電效能的指標和量度,Z是材料的熱電係數(單位是/k),有量綱,T是熱力學溫度,單位是k。ZT乘積來表示熱電效能的高低(ZT值越高,熱電效能越好)ZT值(熱電優值)怎麼換算成轉換效率?
是冷端和熱端的溫度,
,
通過對
之間所有的峰值ZTs積分獲得,在特定溫度
下,材料的
:
是Seebeck coefficient,