关于Bi2Te3/ Sb2Te3温差电池的初步研究
摘要
制备127对Bi2Te3/Sb2Te3温差电池并测量电池性能。研究表明，电池的温度梯度为15℃时，输出电压、最大输出功率可达到0.08V和1.2W，且两者均随着温差的增大而增大。此外，我们探讨了内阻随着温差的变化机理。
关键词：温差电池，Bi2Te3，Sb2Te3
1.介绍
21世纪以来，全球面临着能源短缺与环境污染双重挑战，因此风能、太阳能等绿色能源逐步受到重视，温差发电技术作为一种可以利用太阳能、地热、汽车废热及工业废余热将热能转化为电能的绿色环保发电技术逐渐得到了重视，它能将废旧热的变废为宝，实现能源的可持续利用。
温差电池利用塞贝克效应，将热能直接转换成电能，是一种绿色装置[1]，具有广泛的优越性。温差电池绿色环保、无噪声无污染且无需任何后续的维护，具有较好的灵敏性，体积小、灵活方便，成本低，适用于任何存在温度梯度的场合。其中，Bi2Te3/Sb2Te3两种材料是窄禁带宽度的半导体材料，适用于室温下的热电装置。[1]
温差电池也面临着巨大的挑战，其转换效率较低且输出电压较低，大大抑制了温差电池的实用性。故本论文针对室温下效率相对较高的Bi2Te3/Sb2Te3温差电池展开研究，通过测量不同温度梯度下Bi2Te3/Sb2Te3温差电池的性能，探讨室温下温差电池的发电机理，寻找温差电池发电效率较低的根源，为后续同行对温差发电的研究打下基础。
2.原理
如图1所示，当两种不同的导体或者半导体A与B一端相互接触形成闭合回路，且置于高温环境T2中，而A、B的另一端置于相对低温环境T1中，那么此时A、B的低温端之间会存在一个电势差，这个电势差一般称为温差电动势，其数值大小取决于A、B两种材料的本身性质和两端之间的温度梯度大小，即|T2-T1|的值，也称温差电动势为塞贝克电动势。当|T2-T1|相差不大时，所获得的温差电动势V与|T2-T1|的比值被定义为回路的塞贝克系数SAB，常用单位为μV/K，数学表示为[2]:
图1 塞贝克效应示意图
3.实验过程与结果分析
我们将127对Bi2Te3/Sb2Te3温差热电腿串联，并用单层陶瓷将其双面封装。封装后的尺寸为长40mm、宽40mm、厚3.4mm。将此温差热电装置置于一定温度梯度下，测量电池的输出电压并计算最大输出功率。
相关测量和计算的结果如图2所示。其中a图是输出电压随着温度梯度的变化情况，从图中可以看出，随着温度梯度的升高，输出电压基本呈现线性递增趋势。根据[2],当温度梯度升高，即热端温度升高时，由于载流子受热激发，P型半导体中产生出更多的空穴、N型半导体中产生更多的电子。在浓度梯度的内电场作用下，P型半导体热端的空穴和N型半导体热端的电子都将倾向于向冷端流，并最终在电极上积累。随着热端温度的升高，两电极之间的电势差越来越大，所以，输出电压越来越大 [2]。通过
图2：（a）输出电压随着温度梯度的变化情况；（b）电池内阻随着温度梯度的变化情况；（c）最大输出功率随着温度梯度的变化情况；
由于电池是半导体材料，其伏安特性是非线性的，为了定性研究电池内阻随着温度的变化情况，我们给电池外加了固定的电压，在此前提下，图2的b图展示了随着温度梯度的升高，温差电池的内阻逐渐变大。为了说明问题，以N型电腿为例，根据[2],
由电路相关知识得知，一个实际电压源的最大输出功率可由
3. 结论
本论文将127对Bi2Te3/Sb2Te3温差热电腿串联并用单层陶瓷双面封装后测量其输出电压、电池内阻随着温度梯度的变化情况，并计算相应的最大输出功率。实验结果表明，当温度梯度升高，其输出电压基本呈现线性递增，并在15℃的温度梯度下，输出约为0.08V的电压，最大输出功率约为1W。单对电腿的实际塞贝克系数也达到了42.6μV/K 。
4. 致谢
我们十分感谢南京铁道职业技术学院大学生创新训练项目（项目号：yxkc201844）对本工作的支持。
参考文献
[1] Kim J H, Choi J Y, Bae J M, et al. Thermoelectric Characteristics of n-Type Bi2Te3 and p-Type Sb2Te3 Thin Films Prepared by Co-Evaporation and Annealing for Thermopile Sensor Applications[J]. Materials Transactions, 2013, 54(4): 618-625.
[2]刘恩科, 朱秉升, 罗晋生. 半导体物理学 第4版[M]. 国防工业出版社, 1994.
