热电—从高通量材料发现到先进器件的发展历史

来源 | Small

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背景介绍

自19世纪塞贝克、珀尔蒂埃和汤姆森效应发现以来，热电材料因其在建设节能世界方面的巨大价值而引起了科学家和工程师的兴趣。TE材料可以通过温度产生电能梯度，反之亦然。虽然全球三分之二的能源消耗被浪费为热量，但通过收集废热，TE设备(TEDs)可以成为提高能源效率的潜在解决方案。TEDs不需要活动部件或对环境有害的工作流体，这可以提供可扩展且环保的发电和冷却解决方案。对这一领域日益增长的兴趣和研究投资使ted在空间和其他偏远地区的发电，汽车和工业废热回收以及固态温度控制器(如汽车气候控制，小型便携式冷却器，微电子热管理等)中的广泛应用成为可能，旨在取代基于蒸汽压缩的机械冰箱。TED需要将n型和p型半导体材料电串联、热并联连接。根据应用的不同，TED可以分为两种主要类型——发电(TEG)设备和冷却(TEC)设备。

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成果掠影

近日，美国诺特丹大学Yanliang Zhang综述了热电材料和器件的新进展。热电材料可以将废热转化为电能或充当固态珀耳帖冷却器，正在成为解决全球能源短缺和环境可持续性的关键技术。然而，发现具有高热电转换效率的材料是一个复杂而缓慢的过程。高通量材料发现这一新兴领域显示出其加速开发高效率和低成本新型热电材料的潜力。高通量材料加工和表征技术与机器学习算法的协同集成可以形成一个有效的闭环过程，以生成和分析广泛的数据集，以发现具有前所未有性能的新型热电材料。同时，先进制造方法的最新发展为实现可扩展、低成本和节能的热电器件制造提供了令人兴奋的机会。本文综述了利用高通量方法发现热电材料的最新进展，包括加工、表征和筛选。还介绍了热电器件的先进制造方法，以实现热电材料在发电和固态冷却方面的广泛影响。最后，本文还对未来的研究前景和方向进行了探讨。研究成果以“New Directions for Thermoelectrics: A Roadmap from High-Throughput Materials Discovery to Advanced Device Manufacturing”为题发表在《Small》。

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图文导读

图1. 不同类型的TED架构。

图2.来自气溶胶的HTCP。

图3. Bi2Te2.7Se0.3的高通量发现与优化。

图4.高通量组合工艺。

图5.a)高温TE功率因数筛选仪的图像，并附有塞贝克系数探头的描述。b)三组分CoSb3-LaFe4Sb12-CeFe4Sb12组合膜的Seebeck系数等值线图。c)部分遮挡Sb薄膜的片电阻等高线图。d)扫描热渗透率频率设置示意图。e) Si样品的导热系数数据。f)热微探针的示意图，展示了在接触和非接触配置下微探针尖端与样品之间的热传递路线。经许可转载。g)定制热探针的显微镜图像。h)探头测量原理示意图。经许可转载。(i) COGTAN方法的示意图。j) BTTF的微点XRD谱图。经许可转载。k)使用“塞贝克测试仪”评估环境温度下的塞贝克系数。第1部分和第2部分分别表示热端子和冷端子，它们由k型热电偶组成。l)用于评估电导率和塞贝克系数的测量探头示意图。

图6.a)通过机器学习和经验数据分析的循环过程进行闭环优化的示意图。b)奇偶图显示了学术来源中引用的功率因子(被认为是基础事实)，并与最初的GPR模型的预测并列，该模型仅在文献数据上进行了训练。c)将实验功率因子与使用混合数据集训练的最终GPR模型的预测结果进行对比的奇偶图。d)每个实验周期产生的材料的化学组成。e)通过实验测量确定的功率因数与探地雷达模型预测的功率因数的比较。

图7.a) XRD数据在机器学习制作TE材料中的应用示意图。b)由STPM制图数据得出的BTTF COGTAN样品的TE特征:(i)特定样品位置的退火温度，(ii)塞贝克系数，(iii)导热系数，(iv)预测ZT值。

图8.a)丝网印刷原理图。b)功率输出和c)电阻变化带来的灵活性。经许可转载。d)功率输出;e)电阻随弯曲的变化。

图9.a)喷墨打印原理图。b) Du等人的喷墨打印装置。c) Lu等人的喷墨打印装置[80]版权所有2014,Wiley。d)使用喷墨打印TE薄膜的塑料杯发电。

图10.a) AJP工艺示意图，b,c) Mortaza等人研究的AJP Bi2Te2.7Se0.3的功率因数和灵活性。d,e) Courtney等人的AJP作品。

图11.挤出印刷TE材料。

图12.a)挤压打印TE微架构和微器件。b) μTEG产生的输出功率和电压。c)挤压印刷的分段TED制备，分段TED, d) ZT, e)输出功率和输出电压，f)最大效率和文献对比。

图13.Mortaza等人的高强度PLS工作。

图14.TE材料的FSPS。

图15.基于TE的废热回收装置示例。

图16.TE冷却应用。

图17.TED产业的挑战与展望。