RU2723229C2 - Термоэлемент (варианты) - Google Patents
Термоэлемент (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723229C2 RU2723229C2 RU2018108868A RU2018108868A RU2723229C2 RU 2723229 C2 RU2723229 C2 RU 2723229C2 RU 2018108868 A RU2018108868 A RU 2018108868A RU 2018108868 A RU2018108868 A RU 2018108868A RU 2723229 C2 RU2723229 C2 RU 2723229C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- branch
- along
- semiconductor material
- thermocouple
- heat flux
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/852—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/85—Thermoelectric active materials
- H10N10/851—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
- H10N10/853—Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising arsenic, antimony or bismuth
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Технический результат: повышение эффективности термоэлемента. Сущность: термоэлемент состоит из р- и n-ветвей, соединенных между собой последовательно в электрическую цепь. P-ветвь термоэлемента выполнена на основе поликристаллического текстурированного полупроводникового материала из твердого раствора BiТе-SbТе. В первом варианте кристаллографическая ось С, вдоль которой ориентирован поликристалл полупроводникового материала p-ветви, направлена вдоль теплового потока. Во втором варианте изобретения р-ветвь состоит из двух частей, находящихся в электрическом и тепловом контакте друг с другом. Кристаллографическая ось С, вдоль которой ориентирован поликристалл полупроводникового материала в нижней части p-ветви с низкотемпературной стороны термоэлемента, направлена перпендикулярно тепловому потоку. А кристаллографическая ось С, вдоль которой ориентирован поликристалл полупроводникового материала в верхней части p-ветви с высокотемпературной стороны термоэлемента, направлена вдоль теплового потока. Технический результат: повышение термоэлектрической эффективности. 2 н.п. ф-лы, 9 ил.
Description
Изобретение относится к созданию термоэлемента для использования его в термоэлектрической батарее для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Важнейшей проблемой в области термоэлектрического преобразования является проблема повышения к.п.д. преобразования термоэлектрического устройства за счет повышения эффективности термоэлектрического материала в широкой области рабочих температур (50-350°С), зависящего от параметра добротности материала, так называемого параметра Z
где α - коэффициент Зеебека, σ - удельная электропроводность и κ - удельная теплопроводность термоэлектрического материала.
Термоэлемент состоит из двух ветвей р- и n- типа проводимости (n- и р- ветви) соединенные между собой в последовательную электрическую цепь. В настоящее время наиболее эффективным материалом для р-ветви в интервале температур - 50-300°С является полупроводниковый материалов на основе твердых растворов халькогенидов висмута и сурьмы Bi2Te3-Sb2Te3, для которых максимальное значение Z при комнатной температуре (300 К) достигает величины 3×10-3 К-1 (К - абсолютная температура). При этом халькогениды висмута и сурьмы принадлежат к классу анизотропных полупроводников, обусловленной кристаллической структурой. В этом случае это приводит к анизотропии величин электропроводности σ и теплопроводности к вдоль и перпендикулярно кристаллографической оси С (0001). В тоже время коэффициент Зеебека α изотропен в области одного типа носителей - электронов для n-типа и дырок для р-тира, концентрация которых регулируется концентрацией примеси - доноров для n-тира и акцепторов для р-типа, соответственно (см. Б.М. Гольцман, В.А. Кудинов, И.А. Смирнов. Полупроводниковые термоэлектрические материалы на основе Bi2Te3. Монография. Москва. Наука,. 1972, с. 271-275).
Недостатком такого материала является сильная зависимость Z от температуры. Резкое уменьшение Z с ростом температуры обусловлено появлением неосновных носителей - электронов в р-типе, у которых коэффициент Зеебека имеет противоположный знак по сравнению со знаком коэффициента Зеебека для основных носителей. В этом случае коэффициент Зеебека описывается следующей формулой
где символы "n" и "р" относятся к параметрам для электронов и дырок соответственно.
Наиболее близкий аналог представлен в патенте №2326466 (Япония. Опубликован 10.06.2008 г), который раскрывает изготовление смеси, состоящей из состава (Bi-Sb)2Te3 с добавленным к нему избытком Те, плавление смеси и кристаллизацию расплава. Осуществляют пластическую деформацию формованного изделия. Термоэлемент состоит из двух ветвей: материалов р- и n-типа соединенных между собой металлической шиной. Описанный выше материал на основе (Bi-Sb)2Те3 и предназначенный для формирования р-ветви имеет гексагональную структуру и анизотропию электрических и тепловых свойств, обусловленную этой кристаллической структурой. Авторы патента утверждают, что в исследованной области температур до 100°С, при передаче тепла в направлении перпендикулярно оси С, достигнута значительно более высокая термоэлектрическая эффективность по сравнению со случаем, когда тепло передается вдоль оси С.
Технический результат, на достижение которого направлены изобретения, заключается в повышении эффективности термоэлемента в области начала собственной проводимости, как правило, в рабочем интервале температур начиная со 100°С с холодной стороны для первого варианта изобретения и во всем диапазоне температур для второго варианта изобретения.
Технический результат в первом варианте достигается тем, что в термоэлементе, состоящем из р- и n-ветвей, соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, в котором p-ветвь выполнена на основе поликристаллического текстурированного полупроводникового материала из твердого раствора Bi2Te3-Sb2Te, для повышения термоэлектрической эффективности в области рабочих температур Т>100 тепловой поток от горячего конца к холодному в p-ветви направлен вдоль кристаллографической оси С.
Технический результат во втором варианте достигается тем, что в термоэлементе, состоящем из р- и n-ветвей, соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, в котором p-ветвь выполнена на основе поликристаллического текстурированного полупроводникового материала из твердого раствора Bi2Te3-Sb2Te,, p-ветвь состоит из двух частей, находящихся в электрическом и тепловом контакте друг с другом, при этом тепловой поток в первой части с низкотемпературной стороны термоэлемента направлен перпендикулярно оси С, а. тепловой поток во второй части с высокотемпературной стороны направлен вдоль оси С.
Сущность изобретений поясняется графическими материалами.
На фиг. 1, 8 и 9 показаны термоэлемент в различном конструктивном выполнении, на фиг. 2-7 зависимости параметров термоэлемента.
Эффективность термоэлемента по первому варианту достигается благодаря уменьшению "паразитного" влияния неосновных носителей на величину коэффициента Зеебека α и соответственно Z. Это связано с тем обстоятельством, что с повышением температуры коэффициент Зеебека из-за неосновных носителей заряда становится анизотропным, т.е. коэффициент Зеебека p-ветви, вырезанной перпендикулярно оси С (стандартная ориентация) становится меньше коэффициента Зеебека p-ветви, вырезанной вдоль оси С, и, как результат, величина максимальной добротности Z наблюдается в р-ветви, вырезанной вдоль оси С.
Наиболее распространенными методами изготовления материала p-типа проводимости из твердых растворов Bi2Te3-Sb2Te3 являются горячее прессование из порошка, включая Spark Plasma Sintering (SPS), и экструзия. И во всех этих методах получаются текстурированные (ориентированные) поликристаллы. В случае прессования это связано с текстурой укладки порошка перед прессованием из-за его слоистой структуры в виде хлопьев. В случае экструзии текстура формируется в процессе пластической деформации в фильере. При температурах, в области одного типа носителей для n- и p-ветвей, как правило, в области температур, не сильно превышающих комнатную температуру, направление максимальных Z направлено перпендикулярно кристаллографической оси С (0001). Поэтому ветви для термоэлементов, работающих в этом диапазоне температур, вырезаются и устанавливаются таким образом, что тепловой поток в термоэлементе направлен перпендикулярно оси С (0001). Схематически это можно видеть на рис. 1, где ветви n-типа проводимости, изготавливаемые на основе материала Bi2Te3, также как и ветви р-типа изготавливаемые на основе твердых растворов Bi2Te3-Sb2Te3 вырезаны таким образом, что тепловой поток от горячего конца к холодному направлен перпендикулярно оси С. Для ветвей n-типа это условие выполняется во всем рабочем интервале температур. Однако, в случае ветвей p-типа проводимости, изготавливаемых из твердых растворов Bi2Te3-Sb2Te3 для температур свыше 100°С (начало собственной проводимости), в p-ветви, вырезанной вдоль оси С, добротности Z выше чем Z для стандартной ветви, вырезанной перпендикулярно оси С.
На фигурах 2-5 приведены температурные зависимости электрофизических параметров а, σ, κ и термоэлектрической добротности Z, демонстрирующие эту особенность. На этих фигурах 1 и 2 отмечены свойства материала p-типа, измеренные в направлении перпендикулярном оси С и параллельном оси С, соответственно. Фиг. 6 демонстрирует возникновение сильной анизотропии коэффициента Зеебека с повышением температуры. На фиг. 7 показана температурная зависимость вплоть до 350°С отношение эффективности Z вдоль оси С к эффективности в поперечном оси С направлении для р-ветви. Это дает основание изготавливать термоэлемент, в котором p-ветвь вырезается и устанавливается в термоэлемент таким образом, что преимущественная ориентация поликристалла, совпадающая с осью С, направлена вдоль направления теплового потока в термоэлементе (см. фиг. 8). Это приводит к повышению среднего значения Z термоэлемента примерно на 30% в рабочем интервале температур 100-350°С.
Максимальная величина эффективности Z в определенном температурном интервале достигается при определенной оптимальной концентрации носителей (чем выше температурный интервал, тем больше требуется концентрация носителей заряда). Поэтому затруднительно обеспечить высокую эффективность в широком интервале температур от 50°С до 350°С материалом одного уровня легирования. На фиг. 2-4 приведены параметры материала с меньшей концентрацией носителей оптимальной для области близкой к комнатным температурам (кривые с индексом 3) и видно, что величина Z (фиг. 5) для такого интервала выше, чем для материала, оптимизированного по концентрации на более высокие температуры (кривые 1 и 2). Но в области низких температур величина Z больше в направлении перпендикулярном оси С (см. фиг. 7). Поэтому для существенного повышения эффективности термоэлемента во втором варианте изобретения предлагается изготавливать термоэлемент, в котором р-ветвь состоит из двух частей, вырезанных в двух различных направлениях (фиг. 9). Нижняя часть ветви с холодной стороны (низкотемпературная часть) вырезана таким образом, что тепловой поток в ней направлен перпендикулярно оси С. Верхняя часть p-ветви (высокотемпературная часть) вырезана таким образом, что тепловой поток в этой части р-ветви направлен вдоль оси С.
Claims (2)
1. Термоэлемент, состоящий из p- и n-ветвей, соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, в котором р-ветвь выполнена на основе поликристаллического текстурированного полупроводникового материала из твердого раствора Bi2Te3-Sb2Te, отличающийся тем, что кристаллографическая ось С, вдоль которой ориентирован поликристалл полупроводникового материала p-ветви, направлена вдоль теплового потока.
2. Термоэлемент, состоящий из p- и n-ветвей, соединенных между собой последовательно в электрическую цепь, в котором р-ветвь выполнена на основе поликристаллического текстурированного полупроводникового материала из твердого раствора Bi2Te3-Sb2Te3, отличающийся тем, что р-ветвь состоит из двух частей, находящихся в электрическом и тепловом контакте друг с другом, при этом кристаллографическая ось С, вдоль которой ориентирован поликристалл полупроводникового материала в нижней части p-ветви с низкотемпературной стороны термоэлемента, направлена перпендикулярно тепловому потоку, а кристаллографическая ось С, вдоль которой ориентирован поликристалл полупроводникового материала в верхней части p-ветви с высокотемпературной стороны термоэлемента, направлена вдоль теплового потока .
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018108868A RU2723229C2 (ru) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Термоэлемент (варианты) |
CN201880091142.XA CN112041995A (zh) | 2018-03-13 | 2018-03-21 | 热电元件(变体) |
PCT/RU2018/000176 WO2019177484A1 (ru) | 2018-03-13 | 2018-03-21 | Термоэлемент (варианты) |
US16/978,726 US20200403134A1 (en) | 2018-03-13 | 2018-03-21 | Thermoelement (variants) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018108868A RU2723229C2 (ru) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Термоэлемент (варианты) |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2018108868A RU2018108868A (ru) | 2019-09-13 |
RU2018108868A3 RU2018108868A3 (ru) | 2020-03-17 |
RU2723229C2 true RU2723229C2 (ru) | 2020-06-09 |
Family
ID=67906838
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018108868A RU2723229C2 (ru) | 2018-03-13 | 2018-03-13 | Термоэлемент (варианты) |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20200403134A1 (ru) |
CN (1) | CN112041995A (ru) |
RU (1) | RU2723229C2 (ru) |
WO (1) | WO2019177484A1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5883563A (en) * | 1996-05-01 | 1999-03-16 | Yamaha Corporation | Thermo-electric material having mean crystal grain diameter nor greater than 50 microns and mean aspect ratio between 1 and 3 for large figure of merit and thermo-electric element using the same |
US20060118161A1 (en) * | 2001-12-13 | 2006-06-08 | Yamaha Corporation | Thermoelectric material having crystal grains well oriented in certain direction and process for producing the same |
US20060243314A1 (en) * | 2003-05-08 | 2006-11-02 | Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. | Thermoelectric semiconductor material, thermoelectric semiconductor element therefrom, thermoelectric module including thermoelectric semiconductor element and process for producing these |
US20120019381A1 (en) * | 2009-04-01 | 2012-01-26 | Dayton Technologies Limited | Swim monitor |
RU2624615C1 (ru) * | 2016-09-29 | 2017-07-04 | Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" | Способ изготовления составной ветви термоэлемента |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100229911A1 (en) * | 2008-12-19 | 2010-09-16 | Hi-Z Technology Inc. | High temperature, high efficiency thermoelectric module |
FR2997172A1 (fr) * | 2012-10-23 | 2014-04-25 | Airbus Operations Sas | Convertisseur thermo-electrique |
WO2014065792A1 (en) * | 2012-10-24 | 2014-05-01 | Hi-Z Technology Inc. | Segmented thermoelectric module with bonded legs |
-
2018
- 2018-03-13 RU RU2018108868A patent/RU2723229C2/ru active
- 2018-03-21 WO PCT/RU2018/000176 patent/WO2019177484A1/ru active Application Filing
- 2018-03-21 US US16/978,726 patent/US20200403134A1/en not_active Abandoned
- 2018-03-21 CN CN201880091142.XA patent/CN112041995A/zh active Pending
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5883563A (en) * | 1996-05-01 | 1999-03-16 | Yamaha Corporation | Thermo-electric material having mean crystal grain diameter nor greater than 50 microns and mean aspect ratio between 1 and 3 for large figure of merit and thermo-electric element using the same |
US20060118161A1 (en) * | 2001-12-13 | 2006-06-08 | Yamaha Corporation | Thermoelectric material having crystal grains well oriented in certain direction and process for producing the same |
US20060243314A1 (en) * | 2003-05-08 | 2006-11-02 | Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co., Ltd. | Thermoelectric semiconductor material, thermoelectric semiconductor element therefrom, thermoelectric module including thermoelectric semiconductor element and process for producing these |
US20120019381A1 (en) * | 2009-04-01 | 2012-01-26 | Dayton Technologies Limited | Swim monitor |
RU2624615C1 (ru) * | 2016-09-29 | 2017-07-04 | Акционерное общество "Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности "Гиредмет" | Способ изготовления составной ветви термоэлемента |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN112041995A (zh) | 2020-12-04 |
WO2019177484A1 (ru) | 2019-09-19 |
RU2018108868A (ru) | 2019-09-13 |
US20200403134A1 (en) | 2020-12-24 |
RU2018108868A3 (ru) | 2020-03-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ware et al. | Iron disilicide as a thermoelectric generator material | |
Bohra et al. | Transition from n-to p-type conduction concomitant with enhancement of figure-of-merit in Pb doped bismuth telluride: Material to device development | |
Sharp et al. | Thermoelectric properties of CoSb3 and related alloys | |
Kim et al. | Thermoelectric properties of non-stoichiometric MnTe compounds | |
Liu et al. | BiCuSeO as state-of-the-art thermoelectric materials for energy conversion: from thin films to bulks | |
Ivanova et al. | Thermoelectric properties of Bi 2 Te 3-Sb 2 Te 3 single crystals in the range 100–700 K | |
RU2723229C2 (ru) | Термоэлемент (варианты) | |
US2990439A (en) | Thermocouples | |
KR101093566B1 (ko) | 초격자구조의 다성분계 산화물 박막제조방법 | |
Korzhuev | Thermoelectric nanostructures: pros and cons | |
CN105633264A (zh) | 一种串联电腿结构的温差电池 | |
CN101752496B (zh) | 外加电场型温差发电热电堆电池及其制冷装置 | |
KR102269404B1 (ko) | 셀레늄 함량이 증가된 열전소재 | |
KR102031961B1 (ko) | 금속-절연체 전이 금속을 이용하는 열전소자 | |
Sher et al. | Transport properties of thermoelectric materials for coolers | |
US20060016248A1 (en) | Thermoelectric Circuits Utilizing Series Isothermal Heterojunctions | |
Kadhim et al. | Chalcogen-based thermoelectric power generation device using p-type Bi0. 4Sb1. 6Se2. 4Te0. 6 and n-type Bi2Se0. 6Te2. 4 prepared by solid-state microwave synthesis | |
Kuriyama et al. | High-temperature thermoelectric properties of delafossite oxide CuRh1-xMgxO2 | |
US20130252366A1 (en) | Energy conversion efficient thermoelectric power generator | |
Shabaldin et al. | Effect of thermal history on the properties of efficient thermoelectric alloys Ge-= SUB=-0.86-=/SUB=-Pb-= SUB=-0.1-=/SUB=-Bi-= SUB=-0.04-=/SUB=-Te | |
US20110139204A1 (en) | Energy conversion efficient thermoelectric power generator | |
WO2021039074A1 (ja) | 熱電変換素子 | |
KR20190050018A (ko) | 구리가 도핑된 열전소재 | |
Svechnikova et al. | Thermoelectric properties of n-Bi 2 Te 2.7 Se 0.3< I, In> crystals | |
Gurbanov et al. | Thermoelectric Properties of Solid Solutions with Cation and Anion Substitution on the Basis of the Layered Tetradimite-like Compound GeSnSb4Te8 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |