Introduzione
Per le applicazioni termoelettriche, vengono sempre più utilizzati materiali diversi, come il tellururo di bismuto, il tellururo di piombo e la skutterudite. Per un utilizzo economico, ad esempio nelle automobili o nelle centrali termiche, è necessaria un'elevata efficienza dei sistemi termoelettrici. Ciò è indicato dal cosiddetto coefficiente di merito (ZT). Oltre a un elevato Coefficiente di SeebeckIl coefficiente di Seebeck è il rapporto tra la tensione termoelettrica indotta e la differenza di temperatura tra due punti di un conduttore elettrico.coefficiente di Seebeck e a un'alta Conduttività elettrica (SBA)La conducibilità elettrica è una proprietà fisica che indica la capacità di un materiale di consentire il trasporto di una carica elettrica.conduttività elettrica, è necessaria anche una bassa Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. L'obiettivo delle indagini è ridurre il contributo fononico e aumentare il contributo elettronico della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. Ciò può essere realizzato, ad esempio, mediante il drogaggio o la creazione di condizioni strutturali (diffusione mirata dei fononi).
Sperimentale
Le misure di conducibilità termica sono state effettuate con l'LFA 457 MicroFlash® (figura 1) su campioni a forma di disco con uno spessore di 2-3 mm e un diametro di 12,6 mm. Le superfici anteriori dei campioni erano pianeparallele.
Risultati e discussione
La figura 2 mostra laCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e la conducibilità termica di Bi0,5Sb1,5Te3 (P-38). Il calore specifico mostra solo un leggero aumento con l'aumentare della temperatura. La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica diminuisce a bassa temperatura con l'aumentare della temperatura e aumenta fortemente a temperature più elevate. A basse temperature, ciò corrisponde al comportamento di un semplice conduttore fononico con la ben nota dipendenza 1/T [1]. A temperature più elevate, domina il contributo degli elettroni/buchi liberi che si formano sempre più in un materiale semiconduttore con l'aumentare della temperatura. La conducibilità termica segue questa tendenza a causa della bassa dipendenza dalla temperatura dellaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica.
La Figura 3 mostra il confronto della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica degli strati conduttori p e n P-38 (Bi0,5Sb1,5Te3) e N38 (Bi2Se0,2Te2,8). A -150°C, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica di entrambi i materiali è approssimativamente la stessa. Fino alla temperatura ambiente, la diminuzione della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica dell'N-38 è inferiore rispetto al P-38. Probabilmente il contributo fononico alla conducibilità termica del P-38 è più marcato.
L'aumento della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica a temperature più elevate è approssimativamente lo stesso per entrambi i materiali. Si può quindi concludere che l'entità del contributo di elettroni e buchi è la stessa per entrambi i materiali. In entrambi i casi, è stata determinata una conducibilità termica relativamente bassa. Il forte aumento alle alte temperature potrebbe riferirsi a un'elevata conducibilità elettrica, ipotizzando un'alta figura di merito (ZT) per questi materiali.
Sintesi
È stato utilizzato un sistema laser flash per l'indagine delle proprietà termofisiche di diversi materiali termoelettrici. È stato dimostrato che il metodo del laser flash è adatto all'ottimizzazione dei materiali termoelettrici (bassa conduttività reticolare e alti valori di ZT) e alla determinazione diretta della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, dellaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica e della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. Grazie all'LFA 457 MicroFlash®, è possibile trarre conclusioni sulla struttura e sulla composizione ottimale dei materiali termoelettrici.