當今世界的能源缺乏與廢熱污染是非常棘手的問題,急需尋找新的解決辦法,因此利用塞貝克效應進行溫差發(fā)電、利用帕爾貼效應進行熱電制冷,提供了解決能源與熱能污染問題的新思路,熱電材料的開發(fā)、優(yōu)化及應用已成為新能源材料研究領(lǐng)域的重要課題。本論文從兩方面來研究材料和器件的熱電性能:一方面從熱電材料的薄膜化來研究,制備薄膜熱電器件,并對其性能進行調(diào)控研究;另一方面從熱電制冷應用上的小型化來研究。在熱電薄膜材料研究中,制備并探討了電極和酸溶液處理對聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)薄膜的熱電性能影響;制備了多晶碘鉛甲胺鈣鈦礦(CH_3NH_3PbI_3)薄膜材料和器件,并利用光激發(fā)產(chǎn)生激發(fā)態(tài)等物理手段來調(diào)節(jié)和改進其熱電性能,達到同時增大其電導率和塞貝克系數(shù)的目的。在熱電制冷小型化研究上,測試并分析了不同P-N結(jié)對數(shù)、不同級聯(lián)層數(shù)對半導體制冷片制冷性能的影響,并對小尺寸半導體熱電片的制冷性能進行了分析,對其制冷應用的最佳經(jīng)濟性提供了指導與建議。最后,選用最合適的半導體熱電片進行制冷冰箱的最優(yōu)化的應用設(shè)計與研究,結(jié)合單片機技術(shù)制成了溫度可調(diào)控的高精度半導體恒溫制冷系統(tǒng)。主要研究結(jié)果如下:(1)熱電薄膜材料研究上,制備了PEDOT薄膜和器件,發(fā)現(xiàn)膜厚和電極對PEDOT薄膜器件的熱電性能有著顯著影響;在150℃與溫差8℃和厚度是2μm的條件下,Al(hot)/PEDOT:PSS/Au(cold)器件的塞貝克系數(shù)最大,可超過120μV.K~(-1),Au(hot)/PEDOT:PSS/Au(cold)器件中的電導率最大。在酸處理對PEDOT熱電性能影響研究中,經(jīng)過成膜前、后兩次酸處理形成的PEDOT薄膜的電導率高達1643.04 S.cm~(-1),比純的PEDOT電導率提高了約1000倍,同時也擁有較高的塞貝克系數(shù)為13.6618 mV.K~(-1),最后獲得的功率因子為30.6665 nW.m~(-1.)K~(-2)。(2)在熱電薄膜材料研究上,還制備了有機-無機碘鉛甲胺鈣鈦礦薄膜和器件,運用光激發(fā)手段使得該薄膜的電導率從黑暗條件下的7.8×10~(-6) S.m~(-1)增加到光照條件下的4×10~(-5) S.m~(-1)。同時,當光強度從0增加到100%,塞貝克系數(shù)也從26μV.K~(-1)增加到-17 mV.K~(-1)。光照條件下的功率因子(PF)值為11.51 nW.m.K~(-2),比黑暗條件下的5.27×10~(-6) nW.m.K~(-2)的PF值提高了幾個數(shù)量級。(3)在不同P-N結(jié)對數(shù)對單級熱電片制冷性能影響的研究中,同一電流下,半導體熱電片的P-N結(jié)對數(shù)越多,冷端溫度相對越低,所產(chǎn)生的制冷溫差與制冷量相對越大,制冷量相對越小。熱電片的冷端溫度隨電流的增加而降低,所產(chǎn)生的制冷溫差也隨電流增加而增加,最后達到飽和,其制冷量和制冷效率都隨電流的增加先增加后減小,存在最大制冷量和最佳制冷效率;當電流接近極限值時,其制冷效率趨近于0。在不同級聯(lián)層數(shù)對多級熱電片制冷性能的研究中,在同一電流下,級聯(lián)層數(shù)越大,產(chǎn)生的冷端溫度越低,制冷溫差越大,但制冷量和制冷效率越小;小型尺寸(2.3×2.3 mm~2)下熱電片的制冷量非常小,且在進行應用時對熱端散熱器的散熱能力要求更高,因此制冷溫差相對較小。(4)基于以上對熱電片制冷性能的研究結(jié)果,對于容量為6 L的半導體冰箱,采用兩個級聯(lián)層數(shù)為二的二級熱電片在熱結(jié)構(gòu)上對稱安裝、并聯(lián)連接、熱端采用水冷散熱器、冷端采用風機吸熱加速熱量傳遞。實驗結(jié)果表明,以上工況組成的半導體制冷冰箱擁有最佳的制冷性能,可以在60W的功率下實現(xiàn)37.1℃的制冷溫差,與原裝制冷工況相比,功率降低了29W的同時,制冷溫差增大了13.6℃,半導體冰箱的制冷性能得到了大大的提升;最后結(jié)合單片機技術(shù),設(shè)計控制電路,編寫控制程序,制成了溫度可智能調(diào)控的高精度半導體恒溫制冷系統(tǒng),恒溫箱內(nèi)溫度值的精確度為±1℃,溫度可控性良好。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB34;TB66
【部分圖文】：

稱為溫差電動勢 Epn。這個效應是由塞貝克在 1821貝克效應，也可以稱作是溫差電效應。的塞貝克效應的大小的參數(shù)為塞貝克系數(shù) α，亦稱為溫差 = 。即溫差電動勢 Epn與溫差 ΔT 成正比。令 T1=T料相對于某參考材料的塞貝克系數(shù)為： = 同的材料 p、n 所組成的熱電偶，對應的塞貝克系數(shù)為 塞貝克系數(shù) = ，兩種材料通常取其絕對值相系數(shù)，并將 直接簡化記作 α，即 =

電流是由電荷載流子在導體中運動形成，不同的材料中能級，當它從低能級向高能級運動時，需要從外界吸收能能量，能量在界面處以熱的形式釋放或吸收[15]。從導體n流向?qū)wp，單位時間內(nèi)在結(jié)點A處釋放的熱量 = 示單位時間內(nèi)單位電流金屬結(jié)點吸收（放出）熱量的大小位為 V。 為正值時，結(jié)點表現(xiàn)為吸熱，反之為放熱。為 和 的P 型和 N 型半導體組成的熱電偶，其帕爾貼 = 可逆的，因此 = 。

而 P 型、N 型半導體材料連接的結(jié)點處則不斷從外界吸收熱量成為冷端，兩端形成溫差，從而構(gòu)成熱電制冷器。如果改變電流的方向，可實現(xiàn)冷端和熱端的切換。多個 P 型和 N 型熱電偶串聯(lián)起來構(gòu)成多級熱電制冷器，可以實現(xiàn)較大的溫差，從而大幅度提高制冷效果。熱電制冷目前已經(jīng)實現(xiàn)或未來可能實現(xiàn)的應用領(lǐng)域主要有[31-37]：（1）軍事領(lǐng)域中導彈、雷達等紅外探測器的制冷；（2）醫(yī)療上白內(nèi)障摘除片、胰島素冷卻器；（3）農(nóng)業(yè)中的溫度檢測及控制系統(tǒng)；（4）實驗室里各種恒溫、高低溫實驗儀片；（5）日常生活中的汽車空調(diào)，車載小冰箱等；（6）電腦 CPU 等芯片的微型制冷器。溫差發(fā)電和熱電制冷裝置因具有設(shè)備體積小、運行無噪音、工作壽命長、綠色無污染、發(fā)電和制冷迅速且工作穩(wěn)定等優(yōu)點，得到了廣泛的應用，正受到越來越多的關(guān)注，并且隨著對熱電材料研究的深入及其熱電性能的提高，熱電技術(shù)將會給人類的生產(chǎn)和生活帶來巨大的改變。
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本文編號：2878896