ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

       Термоэлектрическое преобразование может быть использовано для создания преобразователей солнечной энергии средней мощности. К их достоинствам следует отнести то, что они осуществляют непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую и не имеют движущихся частей. Устройства этого типа используют термическую энергию электронов (или дырок) для преобразования тепловой энергии в электрическую (и обратно). В термоэлектрических элементах (ТЭ) с pn-переходом (или другим барьером) для разделения носителей с разной тепловой энергией используются эффект Пельтье. В ТЭ с однородной активной областью используется эффект Зеебека. ТЭ используются в качестве генераторов электричества, холодильников, тепловых насосов.
     Для термоэлектрических генераторов максимальная эффективность η может быть рассчитана следующим образом:
, где Th - температура горячей области, Tc - температура холодной области, Tm - средняя температура, Z - величина, характеризующая качество преобразования. Z равно отношению мощности, полученной за счет разности температур (температурного градиента) к теплопроводности. Большая теплопроводность снижает эффективность преобразования. Произведение Z на рабочую температуру ZT - безразмерный коэффициент качества (добротность). Если величина ZT находится в пределах от 3 до 4, то эффективность термоэлектрической генерации близка к эффективности идеальной тепловой машины. Таким образом, ключевой проблемой термоэлектрической технологии является поиск материалов в ZT>3. Материалами с приемлемыми значениями ZT, как правило, являются сильно легированные полупроводники и полуметаллы, обладающие высокой проводимостью, высокой термоэдс и низкой проводимостью. Величина ZT зависит от температуры и обычно имеет максимум, спадая в области высоких температур.
     Термоэлектрические материалы используются в твердотельных термоэлектрических преобразователях для получения электричества от горячих источников. Левый рисунок схематически представляет, как термоэлектрический генератор может быть использован для преобразования солнечного излучения при использовании солнечного концентратора. В том случае, если имеется достаточно ёмкий аккумулятор тепла, это устройство может генерировать электричество 24 часа в сутки.
      Создание эффективных преобразователей, в основном связано с созданием материалов с высокой добротностью, которую можно выразить следующим образом: ZT= (S2σ/κ)T , где S - термоэдс, σ - электропроводность, κ - теплопроводность, Т - температура. Произведение S2σ называют коэффициентом мощности. Коэффициент мощности и коэффициент теплопроводности обусловлены транспортными свойствами материала и зависят от кристаллической и энергетической структуры материала. Как правило, эти величины связаны между собой и изменять их независимо не удается. Однако последние исследования в области новейших материалов дают надежду разорвать эту связь. В настоящее время для большинства преобразователей ZT ~ 1. Для материалов, созданных на основе сверхрешеток и наночастиц удалось получить величину ZT достигающую 2.4 (правый рисунок). Эти материалы имеют коэффициент мощности как для классических полупроводников, однако коэффициент теплопроводности у них значительно ниже. Продолжение исследований в этом направлении будет способствовать получению ZT>3 и соответственно эффективности термопреобразования до 35%.
     В настоящее время среди к лучшим материалам, нашедшим коммерческое применение следует отнести сплавы Bi2Te3 с Bi2Se3 (n-type) и с Sb2Te3 (p-type). Применение сплавов позволяет значительно уменьшить теплопроводность при незначительном снижении коэффициента мощности. Сплавы на основе Bi2Te3 имеют максимальное значение ZT при комнатной температуре (около 1). Поэтому эти материалы не очень подходят для солнечных преобразователей с более высокой рабочей температурой, и их эффективность ограничена значением 5%. U.S. National Aeronautics and Space Agency использовало сплавы SiGe (и сплавы на основе PbTe) для термоэлектрических преобразователей (с радиоизотопными источниками) с рабочими температурами в диапазоне 300–900°C (300–600°C для сплавов на основе PbTe). Кпд преобразования в этой системе составлял ~6–7%.
         Материалы с ZT~1, были разработаны в 1950е годы. Несколько последующих десятилетий прогресс в улучшении их свойств был незначительным. В 1990е начались исследования области управления свойствами материалов для термопреобразователей с помощью наноструктур (Hicks and Dresselhaus 1993). В 2001 г. появились сообщения о том , что для сверхрешеток на основе Bi2Te3/Sb2Te3 (p-тип) при комнатной температуре было получено ZT of 2.4 (Venkatasubramanian и др.). В 2002 г. появилось сообщение, что для сверхрешеток с наноточками PbTe/PbTeSe для комнатных температур достигнут ZT of 2.0 (Harman и др.). В 2004 г. для объемных наноструктур AgPb2SbTe2 был получен ZT of 2.2 при 527°C (Hsu и др. ). В настоящее время в разработке находится несколько перспективных проектов, которые уже продемонстрировали эффективность преобразования ~14%.

  Next