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研究领域
高性能热电器件的设计、制造与集成 当前位置:首页 >  研究领域 > 无机非金属材料结构设计及新材料探索 > 热电转换材料与器件研究课题组 > 研究领域 > 高性能热电器件的设计、制造与集成

  1. 高性能热电器件设计与制造技术

  目前,商业化生产的热电器件主要是制冷器件,传统器件制造技术采用锡焊将热电材料(主要是Bi2Te3基合金)和金属化陶瓷基板(Al2O3AlN)进行连接。受焊锡熔点温度限制,制冷器件服役温度一般不超过200 ℃。近年来,国际市场对热电发电器件的需求越来越大,传统制冷器件不能满足发电应用的要求。本课题组突破了低温(室温~300 ℃Bi2Te3基器件热电发电器件的设计与批量制造技术。目前,批量制造的 Bi2Te3基热电器件的工作温度超过270 ℃,可承受机械压力100MPa250 ℃温差时转换效率45% 

  国际上获得实际应用的中高温热电发电器件所使用的热电材料一般为PbTeSiGe合金,材料的最大热电性能优值ZT1.0,发电系统的能量转换效率约5~7%。本课题组通过在金属Mo中引入Cu进行合金化来调节高温端金属电极的热膨胀系数,采用了热膨胀系数与CoSb3基方钴矿更为接近的Mo-Cu合金作为金属电极,以Ti-Al合金作为过渡层,利用放电等离子快速烧结技术实现了CoSb3基方钴矿/Ti-Al合金过渡层/Mo-Cu合金电极的互联,研制成功了大尺寸CoSb3基填充方钴矿热电器件,其最高工作温度超过550 ℃,可承受机械压力100MPa,在500 温差时转换效率达到8%,器件能量密度达11.5W/cm2 

  本课题组还开展了高温(5001000 ℃)应用的热电发电器件(half-HeuslerSiGe)的设计与制造技术研究,其中, half-Heusler合金发电器件的最高工作温度超过700 ,最高转换效率达6.2%,最大能量密度达2.2W/cm2 

 

批量制造的Bi2Te3基(左)、CoSb3基方钴矿(中)、half-Heusler(右)热电发电器件

  2. 热电空调/发电系统设计与集成技术

  基于自主开发的的高性能热电器件,本课题组开展了热电空调系统和热电发电系统的设计与集成关键技术研究。基于Bi2Te3基热电器件开发的座椅空调系统,可实现座椅表面温度快速调节,加热模式下2分钟内座椅表面温度上升810 ℃,制冷模式下2分钟内座椅表面温度下降520 ℃。此外,本课题组还开发了基于Bi2Te3器件、方钴矿器件及SiGe器件的100W-300W级的热发电示范系统,可应用于工业或汽车余/废热发电、特种电源等。  

  

制冷(上)和加热(下)模式下空调系统工作两分钟内座椅表面红外热成像图片

  3. 热电材料与器件测量技术

  目前,国际上尚未建立热电材料和器件的测试标准,本课题组长期开展热电材料、器件性能测试技术及测试规范(标准)的研究。上海硅酸盐研究所是国际能源署(IEA)交通运输先进材料执行协议(AMT-IA)的参与单位,作为中国唯一参与第VIII附件组(ANNEX VIII)的研究机构,正在开展热电材料、热电器件性能测试技术及测试规范(标准)的研究。 

  

Round-Robin II:按照制定的热电材料测试规范多个实验室测试结果表现出良好的一致性

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