用于低能耗能量收集的金屬氧化物橫向熱電器件

【引言】

熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，利用溫度差進(jìn)行發(fā)電是一種潛在的能源利用的方法，另外利用電學(xué)對(duì)熱量的轉(zhuǎn)化，可以進(jìn)行溫度的控制，在傳感器和集成電路中有著廣闊的應(yīng)用前景。TEG是一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電器，利用溫差產(chǎn)生電能，具有無運(yùn)動(dòng)部件、穩(wěn)定性高、綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)。它可以根據(jù)不同的應(yīng)用條件，制成各種形狀，隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)在各種應(yīng)用領(lǐng)域的飛速發(fā)展，TEG作為自供電傳感器的電源，顯示出了*的應(yīng)用價(jià)值。近年來，TEG的研究致力于開發(fā)高優(yōu)值系數(shù)的薄膜熱電材料，來獲得更大的溫差，得到更高的輸出電壓和功率密度，發(fā)揮這種材料的優(yōu)勢(shì)。

【成果介紹】

Christian Dreßler等人發(fā)表了一篇題為“Transversal Oxide-Metal Thermoelectric Device for Low-Power Energy Harvesting”的文章。Christian Dreßler等人考慮到無量綱優(yōu)值系數(shù)，首先對(duì)雙支、單支和橫向氧化物熱電收集器件的概念進(jìn)行了比較。分析表明，橫向熱電效應(yīng)的應(yīng)用無法顯著降低利用熱電氧化物的熱電器件的預(yù)期輸出功率密度。同時(shí)，橫向器件配置比一般的雙支配置更簡(jiǎn)單。制備了由La1.97Sr0.03CuO4/Ag傾斜層疊組成的橫向溫差收集器，并對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)分析。使用有限元方法進(jìn)行模擬來驗(yàn)證結(jié)果。基于這些數(shù)據(jù)，金屬氧化物橫向器件的功率密度預(yù)計(jì)是在目前公布的關(guān)于氧化物雙腿器件的數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，因此可作為低能耗應(yīng)用的能量收集。同時(shí)，考慮到大規(guī)模生產(chǎn)所需的條件，橫向器件具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖一：層疊方案：（a）雙支熱電器件，（b）單支熱電器件，（c）橫向熱電器件；

ΔT–溫度梯度；ΔU–壓降；P–p型熱電氧化物；N–n型熱電氧化物；i–隔離器；m–金屬。

圖二：關(guān)于由交替疊層材料構(gòu)成的橫向熱電偶的理論描述坐標(biāo)系定義的圖解。

圖三：用La_1.97Sr_0.03CuO₄和銀制成的橫向熱電器件。

圖四：負(fù)載（R_TTD=R_LOAD）和ΔT=37.4 K時(shí)的二維模擬結(jié)果。（a）溫度分布，（b）電壓分布（彩圖）和電流流線，（c）同（b）但只含有用的電流流線。

圖五：La_1.97Sr_0.03CuO₄ 的輸運(yùn)特性：賽貝克系數(shù)S（黑色），導(dǎo)熱系數(shù)λ（紅色）和電阻率ρ（藍(lán)色）與溫度的關(guān)系如圖所示。

圖六：電氣性與TTD的溫度差：（a）開路電壓U_oc，（b） 短路電流I_sc，（c）電阻率RTTD和（d）電力PTTD。

圖七：橫向熱電器件的熱電性無量綱優(yōu)值系數(shù)與溫度的關(guān)系

文獻(xiàn)：

Dreßler C, Bochmann A, Schulz T, et al. Transversal Oxide-Metal Thermoelectric Device for Low-Power Energy Harvesting[J]. Energy Harvesting & Systems, 2015, 2(1):25.