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新型热电材料展示出巨大的IoT应用潜力

时间:2020-02-11 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
由维也纳工业大学(TU Wien)固态物理研究所合成的一种新型材料,因具有强大的塞贝克(Seebeck)效应,可能颠覆热能收集技术。
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研究人员近日开发出一种新型材料,相比之前的热电材料,它能更好地将热量转化为电能。这一发现可能为物联网带来巨大的福音。

基于电池的解决方案正变得越来越高效且越来越小型化。但是,对于一些还无法充分提高其电池电量的应用,例如物联网中旨在实现零能耗的传感器,仍将依赖能量收集技术。

能量收集是指从环境或系统本身收集能量,来为电子设备供电。对能量收集的关注刺激了互补技术的发展,比如超低功耗(皮瓦)微电子器件和超级电容器。

此时,可以将热能转换为电能的热电材料开始发挥作用。这种前所未有的能力可提供自主和可再生的能源,它广泛应用于多种技术,例如传感器甚至小型计算机处理器,使它们能够通过温差自身产生能量。越来越多高效的器件的出现可能为这种新的解决方案铺平道路,这种方案会充分利用能量收集的优势。

塞贝克(Seebeck)效应是指由于材料两侧之间的温度差异而引起电压差的现象。PN结是热电器件(TEG)的基本组件,它由P型和N型的单一结构热电材料组成,这种单一结构是通过向硅中掺杂硼(P)和磷(N)等杂质而实现,多个PN结再电气串联。

图1:TEG热电发生器本质上由具有两个表面的珀耳帖(Peltier)单元表示:热(h)和冷(c)

TEG模块实质上由多个串联的PN结组成。这种结构产生的电压与温度差成正比:从热的角度看,PN结平行放置。热电或TEG发电模块已经用于许多领域,以收集由放射性物质衰减而产生的热量(如图1)。在这个过程中,效率取决于设备热端(Th)和冷端(Tc)之间的温度差以及热电材料的性能,用热电品质因素ZT表示如下:其中,S、ρ和λ分别是塞贝克系数、电阻率和导热系数,T是测量热电特性时的温度。所谓的ZT值表明在给定温差下可以产生的电能:材料的ZT值越高,其热电性能越好。要提高某种材料的热电性能,必须提高功率因数 PF=S2/ρ,并且减小导热系数 λ=λ e+ λ ph(λ e和λ ph分别代表电子和声子的贡献)。

热处理过程的效率取决于三个参数:塞贝克系数、电阻率和导热系数。这三个构成热电品质因数的物理特性并非彼此独立,要改善一个而不削弱另一个是很困难甚至不可能的。λph(T) 是唯一一个可以随意更改而不会影响其它的参数。因此,提高整体效率的最有效方法就是减小尺寸。维也纳工业大学固体物理研究所的Ernst Bauer教授正在进行一项研究,专注于在硅晶片上沉淀全Heusler薄膜合金,因为这种材料的PF和ZT值相当高且成本适中。除了在热电效能上有较高的价值外,这种薄膜材料还可作为微电子等应用领域的基础。

迄今为止,已知的最佳热电材料ZT值介于2.5和2.8之间。而维也纳工业大学的科学家们已经成功开发出ZT值介于5至6之间的全新材料,这是涂在硅晶体上的一层薄薄的铁、钒、钨和铝。这种新型的高效材料可能颠覆传感器电源市场,尤其是在无线传感器网络(WSN)市场中。无电池解决方案的使用利于环保,传感器如果能够从环境中自己产生能量无疑是更聪明的做法。这种新型材料发表在《自然杂志》上,它具有结果紧凑和适应性强的优点。

 “一种良好的热电材料必须具备强大的塞贝克效应,而且必须满足两个难以调和的重要需求,” Ernst Bauer教授指出。“一方面,它应尽可能导电;另一方面,它传输的热量应尽可能少。这是一个挑战,因为电导率和导热系数通常密切关联(图2)。”

这种新型材料具有立方体形状的规则晶体结构。两个铁原子之间的距离始终相同,其它类型的原子也是如此。因此,整个晶体结构是完全规则的。但是,当把薄薄的一层铁结合到硅衬底上时,结构却发生了根本变化,原子以完全无规则的分布方式组合在以空间为中心的结构上。这种分布改变了原子的电子结构,从而决定了电子在晶体格栅内移动的路径。产生的电荷以特定方式移动,从而获得非常低的电阻值。穿过材料的电荷部分被称为韦尔费米子(Weyl Fermions)。晶体结构的不规则性抑制了格栅的振动。导热系数比较低,因此可以获得较好的热电能转换效率。

图2:整个复合材料(层、界面和基底)的温度相关塞贝克系数(a)和电阻率(b),以及Fe2V0.8W0.2Al的薄膜值。温度相关的功率因数(c)和近似热电品质因数(d)。(来源:Nature)

对新型材料Fe2V0.8W0.2Al的电阻率、导热系数和塞贝克效应的测量表明,沉积在硅衬底上的薄膜热电品质因数非常高。用电子显微镜进行的实验还发现了在Heusler薄膜和硅衬底之间有一个狭窄的扩散区。

能量收集为物联网的发展和提高提供了显著的优势,它是开发先进的独立与移动应用的关键组件,可以支持IoT社保长时间运行且无需给电池充电。通过减少维护和更换电池的需求,能量收集可以将智能感应应用于城市基础设施内偏远或难以到达的位置。这项新研究还为医疗领域的新型可穿戴设备解决方案铺平了道路。由于降低了成本与能耗,研究和投入不断增加,全球热能收集市场将达到前所未有的规模。

(参考原文:New Thermoelectric Material Has Huge IoT Potential)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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