【摘要】：隨著航天事業(yè)的發(fā)展,小型化放射性同位素溫差電池大有可為,但是目前同位素溫差電池普遍體積質(zhì)量較大。所以本研究采用電化學沉積方法制備碲化鉍基熱電薄膜材料,并利用這種材料制備了新型扇形結(jié)構(gòu)放射性同位素溫差電池,從材料和電池器件兩方面進行了制備與性能優(yōu)化研究。主要研究內(nèi)容概括如下:1)采用電化學沉積方法制備了n型Bi-Te基熱電薄膜材料。探究沉積電位和退火溫度對n型薄膜的微觀形態(tài)、結(jié)晶性能以及薄膜組成的影響,并對材料的熱電性能進行深入分析。研究發(fā)現(xiàn)n型材料的最佳脈沖沉積電位是0 V,此時薄膜微觀形貌為針狀,薄膜組成為Bi_(1.92)Te_(3.08)。在該制備條件下Bi-Te薄膜的熱電性能最佳,塞貝克系數(shù)值為-92.166μV/K,電導率值為956.3S/cm,功率因子達到最大值812.34μW/m·K~2。n型材料的最佳退火溫度為300°C,功率因子達到最大值為1103.59μW/m·K~2,相對于未退火材料功率因子提升了35.85%。2)采用電化學沉積方法制備了p型Bi-Sb-Te基熱電薄膜材料。探究電解質(zhì)組成、沉積電位和退火溫度對p型薄膜的微觀形態(tài)、結(jié)晶性能以及薄膜組成的影響,并對材料的熱電性能進行深入分析。研究發(fā)現(xiàn)p型材料的最佳電解質(zhì)Sb/Bi元素比例為6,最佳沉積電位為-0.12 V,此時薄膜微觀形貌為圓形,薄膜組成為Bi_(0.68)Sb_(1.24)Te_(3.08)。Bi-Sb-Te薄膜的塞貝克系數(shù)值為114.03μV/K,電導率值為105.49 S/cm,熱電功率因子達到最大值137.18μW/m·K~2。p型材料的最佳退火溫度為250°C,材料的功率因子為153.37μW/m·K~2,比未退火材料的功率因子值提升了11.8%。3)提出新型扇形結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)π型結(jié)構(gòu),利用電化學沉積碲化鉍基薄膜材料制備了新型扇形結(jié)構(gòu)的同位素溫差電池原型機。扇形結(jié)構(gòu)具有容納熱電腿數(shù)量多和體積小的優(yōu)勢。采用自主搭建電學性能測試系統(tǒng)測試扇形電池的輸出性能,還用COMSOL軟件對其尺寸和熱電模塊數(shù)量進行了有限元模擬。實驗制備的扇形器件體積為33.8×11 mm~2,加載1.5 W熱源時的溫差為57.8 K,輸出功率為247.55 nW,開路電壓為170.21 mV。扇形器件與機械切割熱電錠塊制備的器件相比輸出性能得到很大改善,電壓增加了60.71%,體積減少了12.45倍,溫差增加約2倍。理論設計后的器件輸出功率相比原型機提升近兩倍之多。這些結(jié)果為電化學沉積方法實現(xiàn)同位素溫差電池小型化提供了理論方法和實驗驗證。本研究基于電化學沉積方法制備了碲化鉍基熱電薄膜材料,并將其成功的應用于新型扇形放射性同位素溫差電池的小型化,既實現(xiàn)了這種同位素溫差電池的小型化,也為其他微小型器件的能源供給問題提供了新的解決思路。
【圖文】：

圖 1.1 p-n 結(jié)原理示意圖的熱量 Q 與溫差以及材料性能有關，n 型和 p 型材料的熱導率熱電腿的截面積為 A，一般情況下，，本文默認 n 型熱電腿和 p致本文將會特別說明，如公式（1.9）所示： = ( + ) 時，由于單個 p-n 結(jié)的輸出電壓很小，熱電換能單元往往需要示為熱電換能單元原理示意圖，放大圖為一對 p-n 結(jié)，N 為 p-出電壓計算公式如下（1.10）： = ( ) 元的內(nèi)部電阻 r 與材料本身的電阻率以及單元幾何形狀均有關為 , ，換能單元內(nèi)部還存在接觸電阻 RC，為了提升器件的減小器件接觸電阻，公式如下（1.11）: = ( + ) +

圖 1.2 熱電換能單元原理示意圖元的熱導率為 KTEG，這個參數(shù)與電阻類似，都與器件的幾何形（1.12）所示： = ( + ) 電機應用于實際時，往往需要連接一個外部負載電阻 RL，實際下： =( )2( + )2 能量轉(zhuǎn)換效率如公式（1.14）所示，其中 " 2為卡諾循環(huán)效 = √1 + 1 2√1 + + 1 2對熱電器件換能效率的影響隨溫度的變化規(guī)律如圖1.3所示[8]。轉(zhuǎn)
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM913;TB383.2

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本文編號：2604555