Въведение
За термоелектрически приложения все по-често се използват различни материали, като бисмутов телурид, телурид на отвеса и скутерудит. За икономична употреба, например в автомобилите или топлоелектрическите централи, се изисква висока ефективност на термоелектрическите системи. Това се показва от така наречената фигура на заслугите (ZT). Наред с високия коефициент на Зеебек и високата електропроводимост се изисква и ниска топлопроводимост. Целта на изследванията е да се намали фононният принос и да се увеличи електронният принос на топлопроводимостта. Това може да се осъществи например чрез допиране или създаване на структурни условия (целенасочено разсейване на фонони).
Експериментален
Измерванията на коефициента на топлопроводност бяха извършени с LFA 457 MicroFlash® (фигура 1) върху дисковидни образци с дебелина от 2 до 3 mm и диаметър 12,6 mm. Предните повърхности на образците са равнинно-паралелни.
Резултати и обсъждане
На фигура 2 са показани специфичният топлинен капацитет, термичната дифузия и топлопроводимостта на Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). Специфичната топлина показва само леко увеличение с увеличаване на температурата. Топлинната дифузия намалява в нискотемпературния диапазон с увеличаване на температурата и силно се увеличава при по-високи температури. При ниски температури това съответства на поведението на обикновен фононен проводник с добре познатата зависимост 1/T [1]. При по-високи температури доминира приносът на свободните електрони/дупки, които се образуват все повече в полупроводниковия материал с увеличаване на температурата. Топлопроводимостта следва тази тенденция поради ниската температурна зависимост на специфичния топлинен капацитет.
На фигура 3 е показано сравнението на коефициента на топлопроводност на p- и n-проводящите слоеве P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) и N38 (Bi2Se0,2Te2,8). При -150°C топлопроводимостта на двата материала е приблизително еднаква. До стайна температура намаляването на топлопроводимостта на N-38 е по-малко в сравнение с P-38. Вероятно има по-силно намаление на фононния принос към топлопроводимостта за P-38.
Нарастването на коефициента на топлопроводност при по-високи температури е приблизително еднакво и за двата материала. Следователно може да се заключи, че размерът на приноса на електроните/дупките е еднакъв и за двата материала. И в двата случая е определена сравнително ниска топлопроводимост. Силното нарастване при по-високи температури може да се отнася до висока електропроводимост, като се приеме висока стойност на коефициента на полезно действие (ZT) за тези материали.
Резюме
За изследване на термофизичните свойства на различни термоелектрични материали е използвана система за лазерна светкавица. Може да се докаже, че методът на лазерната светкавица е подходящ за оптимизиране на термоелектрически материали (ниска решетъчна проводимост и високи стойности на ZT) и за директно определяне на термичната дифузия, специфичния топлинен капацитет и топлопроводността. С помощта на LFA 457 MicroFlash®, могат да се направят изводи за оптималната структура и състав на термоелектрическите материали.