Conectar conductores de diferentes materiales e introducir corriente absorberá (o liberará) calor en los puntos de contacto-nodos de diferentes conductores. En 2008, 0834, el físico francés J.C.A Peltier descubrió el efecto termoeléctrico antes mencionado. En 2008, 0838, el físico ruso L. Lenz Ci descubrió el efecto termoeléctrico antes mencionado. Si se invirtiera la dirección del flujo de agua, el hielo que acababa de condensarse en el nodo se derretiría inmediatamente y se convertiría en agua.
El efecto termoeléctrico en sí es reversible. Si reemplazamos la fuente de alimentación de CC en el experimento de Leng Ci con una bombilla, la bombilla se encenderá cuando suministremos calor al nodo. Aunque la comunidad científica de aquella época concedía gran importancia al descubrimiento de Peletier y Leng Ci, este descubrimiento no se tradujo rápidamente en aplicaciones. Esto se debe a que la eficiencia de conversión termoeléctrica de los metales suele ser muy baja. No fue hasta la década de 1950 que se descubrieron algunos materiales semiconductores con excelentes propiedades de conversión termoeléctrica y se integró la investigación sobre tecnología termoeléctrica (refrigeración termoeléctrica y generación de energía termoeléctrica).
Los materiales de refrigeración semiconductores utilizados cerca de la temperatura ambiente se basan en aleaciones de telururo de bismuto. Los semiconductores tipo P y tipo N se fabrican mediante dopaje. Como se mencionó anteriormente, la columna tipo P y la columna tipo N están conectadas a través de una placa metálica, que constituye la unidad básica del refrigerador semiconductor. Si la dirección actual en la conexión es de la columna tipo N a la columna tipo P, entonces la conexión se convertirá en el "cabezal frío" (temperatura Tc) de la unidad de refrigeración y se conectará a la fuente de alimentación de CC.
El nivel de Fermi EF del semiconductor tipo N se encuentra en la parte superior de la banda prohibida, y el del semiconductor tipo P se encuentra en la parte inferior de la banda prohibida. Cuando están conectados entre sí, sus niveles de Fermi tienden a "aplanarse". Por lo tanto, cuando la corriente fluye del tipo N al tipo P (es decir, huecos de N a P; electrones de P a N), la energía de los portadores aumentará. Por lo tanto, como cabezal frío, la unión absorberá calor del extremo Tc y producirá un efecto de enfriamiento.
Coeficiente de Peletier, donde es el calor absorbido por el nodo por unidad de tiempo, I es la intensidad de la corriente y el significado físico de π es la diferencia de energía cuando la unidad de carga pasa a través del nodo. En el estudio de materiales termoeléctricos, un parámetro relativamente fácil de medir es el coeficiente de Seebeck α, donde t es la temperatura. Obviamente, α describe la diferencia de entropía cuando una unidad de carga pasa a través de un nodo.
Para aplicaciones de refrigeración, a primera vista, cuanto mayor sea la corriente, mejor y mayor será el coeficiente de Peletier (o coeficiente de Seebeck). Desafortunadamente, la naturaleza de los semiconductores extrínsecos reales dicta que no se pueden tener ambos: las corrientes grandes requieren una alta conductividad σ, y tanto σ como α son funciones de la concentración del portador. A medida que aumenta la concentración de portadores, σ muestra una tendencia ascendente, mientras que α disminuye, lo que da como resultado que α σ solo pueda alcanzar el valor máximo (.
La columna tipo P de la unidad de refrigeración de semiconductores y los pilares tipo N están unidos entre Tc y th. Esto requiere que tengan una gran resistencia térmica. De lo contrario, la entropía de fuga de calor entre Tc y Th aumentará, cancelando así el efecto de enfriamiento del extremo Tc que absorbe calor y el extremo Th que libera calor. de materiales termoeléctricos es la combinación de parámetros, donde κ es la conductividad térmica del material ZT, el producto del parámetro Z y la temperatura T, no tiene dimensiones y se usa comúnmente al evaluar materiales. Es el material termoeléctrico de mejor rendimiento. /p >
Glen Slack resume los requisitos anteriores como "cristal electrónico y vidrio fonónico". Es decir, un buen material termoeléctrico debe tener una conductividad térmica alta como un cristal y una conductividad térmica baja como un vidrio. En los cristales ordenados, los electrones se mueven en forma de ondas de Bloch. La red iónica rígida no desvía el movimiento de los electrones conductores. Por lo tanto, en un cristal perfecto, la resistencia surge de las colisiones de electrones con impurezas, defectos de la red y fonones térmicos. σ puede ser muy grande.
La conductividad térmica en los semiconductores incluye dos contribuciones: una es causada por el movimiento direccional de los portadores (asumiendo que los electrones) se debe al movimiento de orientación de la distribución de equilibrio; grupo (κp). Según la ley de Weidmann-Franz, no se pueden requerir tanto σ grandes como κe pequeños. El potencial para reducir la conductividad térmica radica en la reducción de κp, κp y la red. El grado de orden está estrechamente relacionado: en largo-. cristales ordenados por rango, la resistencia térmica solo puede provenir del proceso de inversión de tres fonones (umklapp), defectos y dispersión de límites en estructuras de vidrio amorfas, el desorden de la red limita en gran medida el camino libre medio de los fonones, aumentando así el mecanismo de dispersión de los fonones.
Por tanto, la conductividad térmica κ del "vidrio de fonón" puede ser muy baja.
Utilice el coeficiente de mérito adimensional ZT para medir materiales termoeléctricos: la serie BiSb es adecuada para el rango de temperatura de 50-150 K; la serie Bi2Te3 es adecuada para 250-500 k; la serie PbTe es adecuada para 500-K. 800k; SiGe La serie es adecuada para 1100-1300K. Los dispositivos termoeléctricos de baja temperatura (T≤220K) se utilizan principalmente para enfriar chips de computadora y detectores de infrarrojos. Los dispositivos termoeléctricos de alta temperatura pueden convertir la energía solar y nuclear en energía eléctrica y se utilizan principalmente para alimentar sondas espaciales y estaciones flotantes de monitoreo no tripuladas en el mar. La prohibición de los refrigerantes freón ofrece nuevas oportunidades para el desarrollo de la refrigeración por semiconductores. 48660.68868888666
Brian Sales y otros estudiaron un nuevo material termoeléctrico llamado antimonuro de skutterudita relleno. Cuando los huecos no se llenan, la fórmula química del material es CoSb3 (o Co4Sb12). Cada unidad estructural de Co4Sb12 en el cristal contiene un poro de jaula de gran tamaño. Si se introducen átomos de tierras raras (como La) en los poros de la jaula, la fórmula química se convierte en LaCo4Sb12. Debido a que los átomos de La se encuentran en un espacio relativamente suelto, su amplitud de vibración también es grande. Por lo tanto, en LaCo4Sb12, el esqueleto rígido de Co4Sb12 proporciona la base para la alta conductividad térmica del material, y la vibración de la tierra rara La en la jaula mejora la dispersión de fonones, reduciendo la conductividad térmica del material. El trabajo de B.Sales da el primer paso en la dirección de los "cristales electrónicos y gafas fonónicas".
Se ha utilizado la tecnología de alto voltaje (~2 GPA) para mejorar el rendimiento de los materiales termoeléctricos. Si se observan mejoras en las propiedades del material original a altas presiones, se podrán obtener estructuras similares mediante dopaje químico y utilizarlas a presiones normales.
ZrNiSn tiene σ y α elevados, pero su conductividad térmica κ no es baja. Quizás la "dispersión por fluctuación de masa" de los fonones podría mejorarse añadiendo un cuarto o quinto componente, reduciendo así la conductividad térmica.
Los qusicristales tienen estructuras complejas y cambiantes y propiedades vítreas fonónicas. La investigación relacionada se centra en mejorar la conductividad de los cuasicristales.
Cuando la corriente fluye a través de este material compuesto, el nanometal (Ag) incrustado en el polímero conductor puede crear un gran gradiente de temperatura. No hay ninguna explicación teórica para esto.
Hay dos materiales termoeléctricos de baja dimensión con perspectivas de aplicación: CsBi4Te6 es en realidad Bi2Te3; pentafluoruro de hafnio dopado con selenio, indio
Además, películas delgadas, superred artificial y nanotubos de carbono. , Bi nanocables y sistemas de pozos cuánticos, estructuras similares a ojos de gato, etc., muestran potencial para mejorar el rendimiento de los materiales termoeléctricos.