【產(chǎn)通社，10月1日訊】中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所（Shanghai Institute of Ceramics of the Chinese Academy of Sciences，SICCAS）官網(wǎng)消息，熱電發(fā)電器件是利用半導(dǎo)體材料的澤貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，可用于空間特種電源、工業(yè)余廢熱回收等領(lǐng)域。在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換效率和功率密度是熱電發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的重要技術(shù)指標。長期以來，熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉(zhuǎn)換效率的最大化，而另一個關(guān)鍵性能參數(shù)——功率密度一直被忽略。開發(fā)同時具有高轉(zhuǎn)換效率和高功率密度，即：“雙高”熱電發(fā)電器件，已成為推進熱電發(fā)電技術(shù)實用化的關(guān)鍵。 

傳統(tǒng)熱電材料和器件研究方法是通過材料性能優(yōu)化獲得具有最高熱電優(yōu)值zT的熱電材料，再基于該材料開展器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以期獲得最佳的轉(zhuǎn)換效率。這一研究思路將材料優(yōu)化與器件設(shè)計分割成兩個獨立的階段，即：材料研究追求高zT值，器件研究利用最高zT值的材料力求實現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率。由于最高zT值材料對應(yīng)的電、熱輸運性能是通常是固定不變的，并且最高轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度對應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)也不同，因此造成最佳功率密度和最佳轉(zhuǎn)換效率無法在同一器件中同時實現(xiàn)。實際應(yīng)用時，為了獲得高轉(zhuǎn)換效率，必須犧牲一定的功率密度，這也限制了熱電器件的應(yīng)用。 

陳立東研究員、柏勝強正高級工程師團隊與浙江大學(xué)朱鐵軍教授合作，最近提出了由“器件設(shè)計”指導(dǎo)“材料優(yōu)化”的反向設(shè)計策略，利用“功率因子優(yōu)先”和“熱導(dǎo)率匹配”準則實現(xiàn)了器件的“雙高”性能�；谠摬呗�，通過有限仿真模擬提出了雙高器件所需的n型和p型半赫斯勒材料最佳匹配的熱導(dǎo)率和功率因子范圍。

根據(jù)這一結(jié)果，通過調(diào)節(jié)n型材料的載流子濃度，獲得了最佳的功率因子以及與p型材料匹配的熱導(dǎo)率。在未使用最高zT值熱電材料的條件下，器件在溫差為680K時最大轉(zhuǎn)換效率達到10.5%，最大功率密度達到3.1Wcm-2，同時打破了單級熱電器件轉(zhuǎn)換效率與功率密度的記錄。反向設(shè)計策略改變了傳統(tǒng)單一追求高zT值和高轉(zhuǎn)換效率的熱電材料和器件的研究思路，為可實用化高性能熱電器件的設(shè)計研發(fā)提供了新途徑，可推廣應(yīng)用于其他熱電材料體系。相關(guān)成果發(fā)表于Joule, 2020, doi: 10.1016/j.joule.2020.08.009。 

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會的資助和支持，2015級直博生邢云飛與劉睿恒副研究員為共同第一作者。 
 
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