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用于低能耗能量收集的金属氧化物横向热电器件

点击次数:1061  发布时间:2018-03-28

【引言】

热电材料能够实现热能和电能之间的相互转化,利用温度差进行发电是一种潜在的能源利用的方法,另外利用电学对热量的转化,可以进行温度的控制,在传感器和集成电路中有着广阔的应用前景。TEG是一种半导体温差发电器,利用温差产生电能,具有无运动部件、稳定性高、绿色无污染等优点。它可以根据不同的应用条件,制成各种形状,随着无线传感网络在各种应用领域的飞速发展,TEG作为自供电传感器的电源,显示出了*的应用价值。近年来,TEG的研究致力于开发高优值系数的薄膜热电材料,来获得更大的温差,得到更高的输出电压和功率密度,发挥这种材料的优势。

【成果介绍】

Christian Dreßler等人发表了一篇题为“Transversal Oxide-Metal Thermoelectric Device for Low-Power Energy Harvesting”的文章。Christian Dreßler等人考虑到无量纲优值系数,首先对双支、单支和横向氧化物热电收集器件的概念进行了比较。分析表明,横向热电效应的应用无法显著降低利用热电氧化物的热电器件的预期输出功率密度。同时,横向器件配置比一般的双支配置更简单。制备了由La1.97Sr0.03CuO4/Ag倾斜层叠组成的横向温差收集器,并对其进行详细分析。使用有限元方法进行模拟来验证结果。基于这些数据,金属氧化物横向器件的功率密度预计是在目前公布的关于氧化物双腿器件的数据范围内,因此可作为低能耗应用的能量收集。同时,考虑到大规模生产所需的条件,横向器件具有明显的优势。

【图文导读】

图一:层叠方案:(a)双支热电器件,(b)单支热电器件,(c)横向热电器件

ΔT–温度梯度;ΔU–压降;P–p型热电氧化物;N–n型热电氧化物;i–隔离器;m–金属。

 

图二:关于由交替叠层材料构成的横向热电偶的理论描述坐标系定义的图解。

 

图三:用La1.97Sr0.03CuO4和银制成的横向热电器件。

 

图四:负载(RTTD=RLOAD)和ΔT=37.4 K时的二维模拟结果。(a)温度分布,(b)电压分布(彩图)和电流流线,(c)同(b)但只含有用的电流流线。

 

图五:La1.97Sr0.03CuO4 的输运特性:赛贝克系数S(黑色),导热系数λ(红色)和电阻率ρ(蓝色)与温度的关系如图所示。

 

图六:电气性与TTD的温度差:(a)开路电压Uoc,(b 短路电流Isc,(c)电阻率RTTD和(d)电力PTTD

 

图七:横向热电器件的热电性无量纲优值系数与温度的关系

文献:

Dreßler C, Bochmann A, Schulz T, et al. Transversal Oxide-Metal Thermoelectric Device for Low-Power Energy Harvesting[J]. Energy Harvesting & Systems, 2015, 2(1):25.

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