热电材料特性研究与相关应用

发布于 2015-11-23 01:00

势动科技Seebeck热电分析仪 SeebeckPro

塞贝克效应 (亦称席贝克效应) 是不同的材质，在接面处将热能直接转换为电能的特性。它被德国的物理学家托马斯．约翰．塞贝克 (Thomas Johann Seebeck) 于1821年所命名，Seebeck发现两种金属合成的指南针，在温度变化下，会产生磁场的变化，因此发现了热磁效应。之后为丹麦的物理学家汉斯 (Hans Christian Orsted)，正名为“热电效应”。

如今，商业化的热电分析仪也出现在市场，提供使用者一个可靠的分析研究工具，如法国 SETARAM 公司的 SeebeckPro 热电分析仪。

研究进展

对于热电材料的研究，科学家主要关注在以下几种性能指标及因子：

导电率(σ)：电流通过一单位体积材料的容易度 (S/cm)
Seebeck系数(S)：单位温差所产生的电压 (V/K)
导热率(κ)：单位截面、长度的材料在单位温差下和单位时间内，直接传导的热量，也就是材料两端维持温差能力 (W/m-K)

以上三个参数，可以整合成“热电优值 (Z)”来评估材料的未来潜力，有下面公式来表示：

其中，σ．S2 为功率因子 (Power Factor)，也就是在热电材料上，制造的温差所能产生的功率。若将热电优值合并绝对温度来考量，便能评估热电材料的商业效益。如下：

ZT >1 13% 具有商业使用的潜力
ZT >2 20% 具有大规模商业使用的潜力
ZT >3.5 35% 此热电材料的效率，已经接近压缩机

熱電效應示意圖

下图显示不同ZT值，在效率与温度 (加热端) 的相对曲线，图中十字虚线的交会点，为目前商业化的热电材料，大多为 ZT值在1左右的效率。

thermoelectric efficiency

热电效率曲线

(以上热电技术，感谢工研院叶建弦博士指导。)

研究设备

热电效应所需要控制的热，与需要量测的电，可透过控制加热炉，以及六位半电表来测量热电材料。但使用拼凑的设备，不容易做到理想的温度控制与隔热与热电同步的取样，使得测量的数据与实际有所偏差，而影响研究结果。

目前，商业化的热电分析仪，已经成熟。如势动科技所代理的法国SETARAM的 SeebeckPro 热电分析仪，可在预设的升降温曲线 (Temperature Profile) 下，可同步量测热电系数 (Seebeck Coefficient)与阻值。加热炉的设计，也考量各种热电材料的特性 (形状、材质)，以及升降温的弹性设计，在最大的限度下，满足各种材料的测试需求。法国 SETARAM 公司，为热分析仪的专业制造商，有将近60年的热分析仪器设计制造经验，产品行销全球。