鉅大鋰電 | 點擊量:0次 | 2020年03月18日
具有熱能收集功能的無電池設備
研究人員已經開發出一種新材料,該材料比以前的熱電材料更好地將熱量轉化為電能。這一發現可能為物聯網帶來巨大的福音。
基于電池的解決方法正變得越來越高效,并且越來越小型化。但是,關于某些應用,例如針對物聯網的傳感器(旨在實現零能耗),無法充分提高電池電量。這些設備將依賴于能量收集技術。
能量收集是指從環境或系統本身收集為電子設備供電所需能量的能力。對能量收集的興趣刺激了互補技術的發展,例如超低功率(皮瓦)微電子技術和超級電容器。
在這里,熱電材料(可以將熱量轉換為電能的材料)開始發揮用途。這種空前的容量可用于為多種技術(例如傳感器甚至小型計算機處理器)供應自主和可再生的能源,從而使它們能夠通過溫差出現自己的能量。效率越來越高的設備的出現可能為充分利用能量收集優勢的新解決方法鋪平道路。
塞貝克效應是材料兩側之間的溫度梯度出現電壓的時候。pN結是熱電器件(TEG)的基本組件,并且包含p型和N型熱電材料的單一結構,該結構是通過向硅中摻雜硼(p)和磷(N)等雜質而實現的,每種雜質都串聯電連接。
圖1:TEG發生器基本上由具有兩個表面的珀耳帖單元表示:熱(h)和冷(c)
TEG模塊實質上由許多串聯的pN對組成。這種結構出現的電壓與熱梯度成正比:從熱的角度看,pN對平行放置。熱電或TEG發電模塊已經用于許多應用中,這些應用收集由于放射性物質供應的衰減而散發的熱量(圖1)。此過程的效率取決于設備熱端(Th)和冷端(Tc)之間的溫差以及熱電材料的性能,用熱電性能因數ZT表示:
其中,S,ρ和λ分別是塞貝克系數,電阻率和熱導率,T是測量熱電特性的溫度。所謂的ZT值衡量在給定的溫差下可以出現的電能的數量:材料的ZT值越高,其熱電性能越好。為了提高某種材料的熱電性能,必須提高功率因數pF=S2/ρ,并且必須減小熱導率λ=λe+λph(λe和λph分別表示電子和聲子的貢獻)。
該熱處理過程的效率基于三個參數:塞貝克系數,電阻率和導熱率。構成品質因數的這三個單獨的物理特性并非彼此獨立。因此,要改善一個而不惡化另一個是困難的或不可能的。λph(T)是唯一可以自由更改而不會影響其他參數的數量。因此,提高整體效率的最有前途的方法是減小尺寸。TUWien固態物理研究所的ErnstBauer教授進行的這項研究著重于沉積在Si晶片上的全Heusler薄膜合金,因為它們的pF和ZT值相當高且成本適中。除了對熱電的期望外,薄膜還可以作為微電子等領域應用的基礎。
迄今為止已知的最佳材料的ZT值介于2.5和2.8之間。維也納大學的科學家已經成功開發出ZT值為5至6的全新材料。它是硅,鐵,釩,鎢和鋁的薄層。新型高效材料可能會徹底改變傳感器電源市場,特別是在無線傳感器網絡(WSN)市場中。使用無電池解決方法將使尊重環境成為可能。傳感器能夠從環境來源出現自己的能量要聰明得多。新材料發表在《自然雜志》上。這樣生產的材料具有緊湊和非常適應的優點。
“良好的熱電材料必須顯示出強大的塞貝克效應,并且必須滿足兩個難以調和的重要要求,”維也納大學固體物理研究所的恩斯特·鮑爾教授表示。“一方面,它應盡可能導電。另一方面,它應該傳輸的熱量盡可能少。這是一個挑戰,因為電導率和導熱率通常密切相關(圖2)。”
新材料具有立方體形狀的規則晶體結構。兩個鐵原子之間的距離始終相同,其他類型的原子也相同。因此,整個晶體是完全規則的。當將薄薄的鐵層施加到硅基板上時,結構發生根本變化,原子以完全無規分布的方式組裝在以空間為中心的結構上。這種分布改變了原子的電子結構,從而確定了電子進入網格的路徑。出現的電荷以特定方式移動,從而獲得非常低的電阻值。穿過材料的電荷部分稱為韋爾費米子。晶體結構的不規則性抑制了格柵的振動。導熱系數要低得多,因此可以從熱梯度獲得良好的電轉換。
圖2:整個復合材料(層,界面和基底)的溫度相關塞貝克系數(a)和電阻率(b),以及Fe2V0.8W0.2Al的薄膜值。溫度相關的功率因數(c)和近似品質因數(d)。[來源:Nature]
本文編譯自powerelectronicsnews。










