毋須使用稀有元素之高效率熱電轉換材料

 

刊登日期:2021/5/12
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日本物質材料研究機構(NIMS)於日前發表:與產業技術總合研究所(AIST)共同開發了一項不使用稀有元素,而可實現高效率熱電轉換之材料。

為了提高熱電轉換效率,須在抑制熱傳導率的同時提高導電率,但一般而言,導電率越高,熱傳導率也越高,因此難以兼顧。另在低溫域的熱傳導轉換性能方面,目前沒有材料能超越半世紀前發現的Bi2Te3,但Bi2Te3主成份為稀有元素的碲(Te),因此妨礙了Bi2Te3的普及化。

此次研究團隊利用在n型Mg3Sb2系材料中添加微量銅原子的方式,成功地同時達到了降低熱傳導率與提高電荷移動之目標。由於插入原子間隙中的少量銅原子讓掌管熱傳導的聲子(Phonon)減速,藉此大幅降低了熱傳導率,抑制了利用熱能的逸散,故可實現高效率的熱電發電。此外,插入晶粒界面的銅原子抑制了電子的散亂,因此即使是低熱傳導率的多結晶體測試樣本,亦可達到與單結晶材料匹敵的高導電率。由於同時達到降低熱傳導率並提升導電率兩項目標,進而實現了高熱電效率。

研究團隊進一步利用同樣經過高性能化的p型材料製作了熱電模組,並確認以室溫與320℃的溫差條件下,實現了與高效率Bi2Te3系材料相當的7.3%熱電轉換效率。

透過此次的研究成果,將可望推動不使用稀有元素之熱電模組的實用化、普及化開發,並有助於促進物聯網(IoT)等用途之獨立電源用熱電模組的實用化。


資料來源: https://www.nims.go.jp/news/press/2021/04/202104170.html
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