Bi2Te3-CoSb3寬溫域熱電器件的設(shè)計(jì)與性能.pdf

1、熱電器件是一種實(shí)現(xiàn)熱能和電能相互直接轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)一體化裝置。熱電器件的轉(zhuǎn)換效率主要決定于熱電材料，而每種熱電材料只能在很窄的本征溫度區(qū)間內(nèi)具有較高的轉(zhuǎn)換效率，這是目前熱電器件轉(zhuǎn)換效率還比較低的原因。本文采用低溫Bi2Te3(室溫～200℃)和中溫CoSb3(200～500℃)為研究對(duì)象，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，基于器件輸出功率和轉(zhuǎn)換效率最大原則，計(jì)算n型和p型Bi2Te3/CoSb3寬溫域熱電材料的最佳長(zhǎng)度比，建立了Bi2Te3熱電器件、Co

2、Sb3熱電器件以及含過(guò)渡層Bi2Te3/CoSb3寬溫域熱電器件的分析模型，并對(duì)它們?cè)谧畲笮蕳l件下不同幾何結(jié)構(gòu)、不同工況性能進(jìn)行了分析。得到了以下主要結(jié)果：
　　 采用ZT值曲線交點(diǎn)法研究了n型Bi2Te3/CoSb3寬溫域梯度材料的最佳界面溫度、最佳長(zhǎng)度比和該材料構(gòu)成的n型熱電臂最大輸出功率。結(jié)果表明：n型Bi2Te2.7Se0.3和n型Ba0.4In0.4Co4Sb12之間的最佳界面溫度為550 K，最佳長(zhǎng)度比為9:20.

3、68。負(fù)載為0.0099Ω、冷端溫度Tc為300 K、熱端溫度Th為800 K時(shí)，n型熱電臂的最大輸出功率約為2083 mW/cm2。
　　 采用ZT值曲線交點(diǎn)法研究了p型Bi2Te3/CoSb3寬溫域梯度材料的最佳界面溫度、最佳長(zhǎng)度比和該材料構(gòu)成的n型熱電臂最大輸出功率。結(jié)果表明：p型Bi0.48Sb1.52Te3和p型Ba0.3In0.3FeCo3Sb12之間的最佳界面溫度為565 K，最佳長(zhǎng)度比為5:10.36。負(fù)載為0.

4、0232Ω、冷端溫度Tc為300 K、熱端溫度Th為800 K時(shí)，n型熱電臂的最大輸出功率約為1053 mW/cm2。
　　 采用有限元方法研究了Bi2Te3器件、CoSb3器件和含過(guò)渡層的Bi2Te3/CoSb3寬溫域器件最佳結(jié)構(gòu)幾何尺寸，并計(jì)算了三種器件的最大轉(zhuǎn)換效率。發(fā)現(xiàn)Bi2Te3器件的n型和p型熱電臂尺寸分別為15×3×2.4 mm3和15×3×3 mm3，最大轉(zhuǎn)換效率為5.7％。CoSb3器件的n型和p型熱電臂尺寸分

5、別為15×3×1.8 mm3和15×3×3 mm3，最大轉(zhuǎn)換效率為5.0％。Bi2Te3/CoSb3寬溫域器件的n型熱電臂尺寸為15×3×2.1mm3(Bi2Te3長(zhǎng)3.75mm、過(guò)渡層厚0.9 mm、CoSb3長(zhǎng)10.35mm)和p型熱電臂尺寸為15×3×3mm3(Bi2Te3長(zhǎng)4.5 mm、過(guò)渡層厚0.9mm、CoSb3長(zhǎng)9.6mm)，最大轉(zhuǎn)換效率為8.2％。與Bi2Te3器件和CoSb3器件相比，Bi2Te3/CoSb3寬溫域熱電