Улавливание электроэнергии новым эффективным

Наука Китай Пресс

изображение: (а) Схематическая диаграмма, показывающая сборку модуля на основе Mg3Sb2 путем высокотемпературного спекания под давлением. Используются припои Al-Si-Cu. (б) Сборка модуля на основе Mg3Sb2 методом низкотемпературной сварки и низкого давления с помощью композитной пасты Ag. (в) Изменение массы и тепловой поток для композитной пасты Ag в течение 10 термических циклов от 523 К до 773 К. (г) Сравнение изменения сопротивления до и после пайки композитной пастой Ag.посмотреть больше

Фото: ©Science China Press

Являясь одним из наиболее многообещающих решений по повышению эффективности использования ископаемого топлива и уменьшению загрязнения окружающей среды, термоэлектрическая (ТЭ) технология производства электроэнергии имеет преимущества полупроводниковой работы, работы без движущихся частей, бесплатного обслуживания и расширенного срока службы. За последние десятилетия были предприняты значительные усилия по улучшению характеристик термоэлектрических материалов. И появляются превосходные сплавы, такие как соединения IV-VI (например, SnSe, GeTe и PbSe), скуттерудиты и Cu2Se. Эти беспрецедентные достижения в улучшении характеристик ТЭ-материалов являются важным шагом, который предвещает широкое применение ТЭ-устройств. Однако развитие технологий устройств TE развивалось менее быстрыми темпами. Текущие усилия сосредоточены в первую очередь на проблемах с одной ветвью или одиночной парой, таких как конструкция электродов, экранирование барьерных слоев и оптимизация интерфейса. Одиночная опора очень полезна для оценки потенциала конкретного ТЭ-материала, но до практического применения еще далека. Для промышленного применения необходимо разработать модули, состоящие из ТЭ материалов как n-типа, так и p-типа. Тем не менее, разработка модулей является более сложной задачей, чем изготовление одной опоры. Необходимо тщательно проработать больше вопросов, таких как разработка соответствующих материалов ТЭ n-типа и р-типа, оптимизация геометрии ветвей ТЭ, сварка и сборка нескольких ветвей, а также оценка эффективности и надежности модулей. Кроме того, большинство компонентов ТЭ, которые в настоящее время используются или изучаются, содержат редкие элементы (например, Te) или токсичные элементы (например, Pb), что представляет собой потенциальное препятствие для крупномасштабного применения.

В последние годы соединения на основе Mg3Sb2 привлекли значительный интерес со стороны TE-сообщества благодаря своей нетоксичности, обилию составляющих элементов и превосходной механической прочности. Вдохновленные переходом Mg3Sb2 p-типа в Mg3Sb2 n-типа, последующие исследования этого типа соединений процветали. За последние пять лет был достигнут значительный прогресс в улучшении показателей TE. Этот обнадеживающий результат делает недорогие и экологически чистые соединения на основе Mg3Sb2 перспективной заменой современных Te- или Pb-содержащих сплавов для среднетемпературной генерации электроэнергии. И недавно это вызвало интенсивный исследовательский интерес к разработке их устройств. На отдельном уровне были предприняты усилия по масштабируемому синтезу Mg3Sb2 n-типа, разработке надежных интерфейсов соединений и экранированию барьерных слоев. Примечательным результатом является то, что эффективность одной ветви ~ 10% может быть достигнута при разнице температур 400 К с температурой источника тепла 700 К, что указывает на хороший потенциал для среднетемпературных приложений для выработки электроэнергии. На уровне унипары или модуля для спаривания с n-Mg3Sb2 использовались различные TE-соединения p-типа, такие как Bi2Te3, MgAgSb, GeTe, CdSb и CoSb3. Модули, изготовленные из различных комбинаций материалов, обеспечивают выдающиеся характеристики выработки электроэнергии в диапазоне низких и средних температур.

Однако примечательно, что все эти модули изготовлены с использованием TE-соединений разных исходных соединений n- и p-типа. Из-за различных термоэлектрических и химических свойств этих сплавов n- и p-типа необходимы громоздкие геометрические конструкции устройств и индивидуальный подбор подходящих барьерных слоев. Что еще более важно, ТЭ-модули для выработки электроэнергии обычно работают при больших градиентах температуры (например, 300–500 К для среднетемпературных применений в выработке электроэнергии) и колебаниях температур, поэтому различия в физических параметрах ТЭ материалов n- и p-типа, таких как коэффициент теплового расширения приведет к высоким термическим нагрузкам, которые могут легко привести к выходу устройства из строя во время эксплуатации. Кроме того, различия в температуре плавления и обрабатываемости различных ТЭ материалов n- и p-типа накладывают дополнительные ограничения на процесс сварки и сборки. Поэтому существует сильное желание разработать эффективные и надежные ТЭ-модули с использованием одних и тех же исходных ТЭ-соединений, чтобы превосходное соответствие свойств материала облегчило изготовление модулей и обеспечило долгосрочную стабильную работу. И это было хорошо продемонстрировано в реальных приложениях, например, в коммерчески доступных модулях Bi2Te3, модулях PbTe и модулях SiGe, используемых НАСА при исследовании дальнего космоса, которые все изготовлены из одних и тех же исходных TE материалов n- и p-типа. .