【摘要】：熱電材料作為一種能夠利用材料內部載流子輸運實現熱能與電能相互轉換的功能材料,在溫差發(fā)電、固態(tài)制冷等多個領域具有非常好的應用前景。而熱電器件的轉換率與材料自身的熱電性能密切相關。因此,不斷改善和提高材料的熱電性能,是目前研究的重要課題。三元Cu-Sn-S基化合物由于其成本低、化學穩(wěn)定性好受到了廣泛的關注,但是較寬的禁帶寬度使其電導率非常低,同時,賽貝克系數和載流子濃度不協(xié)調。由于這些問題導致其熱電性能不高。因此,開發(fā)新型的Cu-Sn-S基熱電材料意義重大。本文選取三元Cu3Sn S4基化合物為主要研究對象,摻雜不同的元素,通過合金化降低晶格熱導率。同時,采用第一性原理,計算其能帶結構,了解并掌握運輸特性;協(xié)調賽貝克系數和載流子濃度,探索出熱電性能優(yōu)化策略,大幅度提升其熱電優(yōu)值ZT。主要研究成果總結如下:(1)根據第一性原理計算結果,過量的Sn元素會占據在Cu3Sn S4晶格間隙或Cu原子的位置,使能帶結構發(fā)生改變,費米能級(Ef)去釘扎并向導帶移動。但計算的禁帶寬度(Eg)卻幾乎沒變,Eg=~1.25 e V。(2)由于載流子散射和晶格結構畸變,Cu3Sn S4晶格熱導率(k L)有了明顯的降低;過量的Sn元素在一定程度上降低了載流子濃度(n H),從而提高了賽貝克系數(S),協(xié)調了賽貝克系數和載流子濃度之間的關系。(3)根據對材料Cu3Sn1+x S4品質因子B的計算,證明當x=0.2時品質因子B最佳。在790 K,Cu3Sn1.2S4的熱電優(yōu)值為0.75,是本征Cu3Sn S4的2.8倍。(4)摻雜Ag元素后,使Cu3Sn S4的晶格結構發(fā)生改變,降低了熱導率。當x=0.2時,材料Cu2.8Ag0.2Sn S4的熱電優(yōu)值為0.49,是本征Cu3Sn S4的~2倍。(5)摻雜Se、Te和Zn后,改變了元素之間電負性差異,可使Cu3Sn S4和Cu3Sn1.2S4的晶格結構產生畸變,聲子散射增強,熱導率降低。但是對于Cu3Sn S4熱電性能的提升非常有限,僅為~7%。
【圖文】：

1 緒論1 緒論1 Introduction1.1 引言 (Introduction)工業(yè)革命以來，人類的社會生產力得到了前所未有的提升，經濟規(guī)模迅速擴張，在創(chuàng)造出不計其數財富的同時，也帶來了傳統(tǒng)能源日益枯竭、環(huán)境污染和生態(tài)破壞等許多嚴峻的問題。能源是人類賴以生存的物質基礎之一，2016 年，全球能源消耗 132 億噸 (t) ，1991~2016 年全球能源消耗如下圖 1-1 所示[1]。根據美國能源信息管理局的報告，從 2012~2040 年，能源消耗將提升 48%[2]。

汽車座椅等多個領域[11,12]。由此可見，熱電材料在航天、軍事、民用等多個領域具有非常大的應用前景，，大力開發(fā)和研制新型熱電材料及器件對促進大規(guī)模應用具有十分重要的作用。盡管近年來，熱電材料及其器件的研發(fā)受到了越來越多的關注，相關研究的投入和科研成果也在不斷攀升，但是相比于傳統(tǒng)熱機的發(fā)電效率 (30%~40%)，熱電器件的轉換率依然很低，其工作效率一般在 6%~10%左右[13-15]。而根據相關熱力學理論，熱電器件的轉化效率是由卡諾效率和熱電材料自身的熱電性能共同決定。因此，不斷改善材料的熱電性能，并能有效的提高熱電器件的轉換率是目前研究的重要課題[16,17]。1.2 熱電效應 (Thermoelectric Effect)1.2.1 熱電效應理論早在 19 世紀上半葉，眾多的西歐科學家發(fā)現并提出熱電現象。通過研究，提出了熱電效應，主要由賽貝克效應 (Seebeck Effect) 、帕爾貼效應 (PeltierEffect) 和湯姆遜效應 (Tomson Effect) 構成。三大效應示意圖如圖 1-2 所示[18]。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 羅青云,賈成廠,柴立民,赫運濤;用溫壓法制備鐵氧體[J];粉末冶金技術;2004年06期

2 李繼光,孫旭東,王雅蓉,宋丹,賈英全,郝士明,谷云燕;α-Al_2O_3納米粉的燒結動力學[J];金屬學報;1998年02期

本文編號：2605661