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光學工程
上海硅酸鹽所在高效率熱電器件優化設計與集成技術研究中取得重要進展

熱電轉換技術在特種電源、綠色能源、高精度溫控與制冷等技術領域具有重要的應用價值,受到工業界和學術界的廣泛關注。近10余年來,熱電材料科學得到前所未有的發展,熱電材料性能的標志性指標-無量綱熱電優值(ZT)的紀錄被不斷刷新,多種材料的ZT值超過1.5甚至2.0。然而,工業界所期待的熱電應用技術的發展卻滯后于熱電材料科學的發展。例如,汽車尾氣余熱發電技術自90年代被提出后已經過去近20年,盡管陸續有數百瓦級示范系統的報道,但尚未實現商業應用。鋼鐵廠、化工廠等工業高溫設備的余廢熱發電利用也一直受到關注和期待,但目前仍然停留在千瓦級示范系統的研制,尚未獲得規模化工業應用。

制約熱電發電技術規模化應用的主要瓶頸是器件研發的滯后,尤其是長期以來器件轉換效率一直低于10%,直接影響工業應用中能量的有效回收率和經濟可行性。熱電器件的結構設計需要對幾何形狀與尺寸、連接方式、電流與熱流耦合匹配等復雜體系的多參數進行優化,傳統的設計模型很難滿足能量損失最小化的要求;同時,器件中存在的各種異質界面(電極/熱電材料、熱電材料/熱電材料、絕緣基板/電極等)更是直接導致熱能與電能損失的主要因素,開發低能量損耗的結合技術是國際上熱電器件技術領域的競爭焦點。

中國科學院上海硅酸鹽研究所陳立東研究員、柏勝強高級工程師帶領的團隊一直堅持器件優化設計方法和集成關鍵技術的研究,針對方鈷礦、碲化鉍等具有重要應用價值的熱電材料,成功開發了低界面電(熱)阻、高溫穩定性優異的電極材料及其結合技術;基于對器件能量輸運與轉換過程系統的理論分析,針對非線性溫度變化的材料性能參數以及多重寄生能量損失的復雜結構體系,建立了三維數值模擬的器件全參數設計方法,實現了對器件能量損失的最小化設計。運用全參數設計方法和低能量損失界面技術,研制成功碲化鉍/方鈷礦二段結構熱電發電器件,器件最大轉換效率達到材料理論值的96.9%,在541°C溫差下實測轉換效率達12%,是目前國際上報道的最高水平。相關研究結果發表于《Energy & Environmental Science》(DOI: 10.1039/ c7ee00447h)。

研究工作得到了國家基礎研究973項目、國家自然科學基金、上海市科委、中國科學院等的資助。

圖1. 熱電發電器件全參數優化設計的邏輯框架。

圖2. (a) 二段材料相對高度對轉換效率的影響;(b) 界面電阻率對器件轉換效率的影響;(c) 器件材料填充率對器件轉換效率的影響;(d) 碲化鉍/方鈷礦二段結構器件制備流程圖; (e) 不同溫差下器件的轉換效率測量結果(圖中給出了其它典型器件公開報道的轉換效率數據)。

來源:上海硅酸鹽所


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