УДК621.362; 621.315.562

НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМОЭЛЕКТРИКОВ

Булат Л. П., Бочков Л. В., Нефедова И. А., Ахыска Р.


Читать статью полностью 

Аннотация

Обоснована актуальность термоэлектрического преобразования энергии. Показана перспективность
использования наноструктур в качестве термоэлектрических материалов. Систематизированы и обобщены методы и результаты исследования объемных наноструктурных термоэлектриков на основе твердых растворов Bi-Sb-Te. Продемонстрированы способы получения наночастиц и их последующего спекания в объемный образец, результаты исследования структуры полученных материалов методами электронной микроскопии и рентгеновской спектроскопии, исследования механических свойств. Обсуждаются предложенные с участием авторов методы изготовления и свойства термоэлектрических нанокомпозитов, полученных с добавлением фуллерена, термически расщепленного графита, графена и дисульфида молибдена. Рассмотрены методы предотвращения рекристаллизации, методы измерения термоэлектрических свойств данных нанотермоэлектриков: электро-, теплопроводности, термоэдс и добротности. Теоретически исследованы факторы, влияющие на термоэлектрическую добротность, в том числе туннелирование носителей через зазор между нанозернами, дополнительное рассеяние фононов на границах нанозерен и энергетическая фильтрация носителей через барьеры. Установлены механизмы и пути увеличения добротности. Экспериментально подтвержден рост термоэлектрической добротности. Показаны физические механизмы увеличения термоэлектрической добротности за счет использования наноструктур. Увеличение термоэлектрической добротности означает расширение областей рационального применения термоэлектрической генерации энергии и термоэлектрического охлаждения.


Ключевые слова: термоэлектричество, термоэлектрики, наноструктуры, термоэлектрическое преобразование энергии, термоэлектрическая добротность, нанокомпозиты, теплопроводность, туннелирование, рассеяние фононов на границах, энергетическая фильтрация

Список литературы
1.     Thermoelectric Handbook: Macro to Nano / Ed. D.M. Row. CRC Press, 2006. 1014 p.
2.     Булат Л.П. Термоэлектрическое преобразование: состояние и перспективы // Автономная энергетика.  2009. № 26. С. 54–57.
3.     Vorobiev Yu., Gonzalez-Hernandez J., Vorobiev P., Bulat L. Thermal-photovoltaic solar hybrid system for efficient solar energy conversion//Solar Energy. 2006. V. 80. N 2. P. 170–176.
4.     Vorobiev Y.V., Gonzalez-Hernandez J., Gorley P., Horley P., Bulat L. A new approach to hybrid systems of renewable energy utilization / Leading Edge Research in Solar Energy. NY: Nova Science Publishers, 2008. P. 147–164.
5.     Chavez-Urbiola E.A., Vorobiev Y., Bulat L.P.Solar hybrid systems with thermoelectric generators // Solar Energy. 2012. V. 86. N 1. P. 369–378.
6.     Булат Л.П., Ведерников М.В., Вялов А.П. и др. Термоэлектрическое охлаждение / Под ред. Л.П. Булата. СПб: СПбГУНиПТ, 2002. 147 с.
7.     Sergienko O.I., Bulat L.P., Kopyltsova S.Е., Shestopalova А.I., Guzhva M.E., Vinogradov A.S.Environmental aspects of thermoelectric cooling // Journal of Thermoelectricity. 2010. N4. P. 5–10.
8.     Bulat L., Nefedova I., Ahiska R. Thermoelectricity based on novel materials: effective and environmentally safety method of direct energy conversion / Proc. 10th International Conference on Sustainable Energy Technologies. Istanbul, 2011. P. 1–5.
9.     Dresselhaus M.S., Chen G., Tang M.Y., Yang R., Lee H., Wang D., Ren Z., Fleurial J.-P., Gogna P. New directions for low-dimensional thermoelectric materials // Advanced Materials. 2007. V. 19. N 8. P. 1043–1053.
10.  Minnich A.J., Dresselhaus M.S., Ren Z.F., Chen G. Bulk nanostructured thermoelectric materials: current research and future prospects // Energy and Environmental Science. 2009. V. 2. N 5. P. 466–479.
11.  Lan Y., Minnich A.J., Chen G., Ren Z. Enhancement of thermoelectric figure-of-merit by a bulk nanostructuring approach // Advanced Functional Materials. 2010. V. 20. N 3. P. 357–376.
12.  Дмитриев А.В., Звягин И.П. Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов // Успехи физических наук. 2010. Т. 180. № 8. С. 821–838.
13.  Bulat L., Pshenai-Severin D., Karatayev V., Osvenskii V., Parkhomenko Y., Lavrentev M., Sorokin A., Blank V., Pivovarov G., Bublik V., Tabachkova N. Bulk nanocrystalline thermoelectrics based on Bi-Sb-Te solid solution. In:Hashim A.A. (ed.) The Delivery of Nanoparticles. InTech, 2012. P. 454–486.
14.  BulatL.P., OsvenskyV.B., PivovarovG.I., SnarskiiA.A., TatyaninE.V., TayA.A.O.  On the effective kinetic coefficients of thermoelectric nanocomposites // Proc. 6th European Conference on Thermoelectrics. Paris, 2008. P. I2-1–I2-6.
15.  Bulat L.P., Drabkin I.A., Pivovarov G.I., Osvensky V.B. On thermoelectric properties of materials with nanocrystalline structure // Journal of Thermoelectricity. 2008. N 4. P. 26–31.
16.  Bulat L.P., Bublik V.T., Drabkin I.A., Karatayev V.V., Osvensky V.B., Pivovarov G.I., Pshenai-Severin D.A., Tatyanin Е.V., Tabachkova N.Yu. Bulk nanostructured thermoelectrics based on bismuth telluride // Journal of Thermoelectricity. 2009. N 3. P. 67–72.
17.  Bulat L.P., Bublik V.T., Drabkin I.A., Karataev V.V., Osvenskii V.B., Parkhomenko Yu.N., Pivovarov G.I., Pshenai-Severin D.A., Tabachkova N.Yu. Bulk nanostructured polycrystalline p-Bi-Sb-Te thermoelectrics obtained by mechanical activation method with hot pressing // Journal of Electronic Materials. 2010. V. 39. N 9. P. 1650–1653.
18.  Bulat L.P., Drabkin I.A., Karatayev V.V., Osvenskii V.B, Parkhomenko Yu.N., Lavrentev M.G., Sorokin A.I., Pshenai-Severin D.A., Blank V.D., Pivovarov G.I., Bublik V.T., Tabachkova N.Yu. Structure and transport properties of bulk nanothermoelectrics based on BixSb2− xTe3 fabricated by SPS method// Journal of Electronic Materials. 2013. V. 42. N7. P. 2110–2113.
19.  Драбкин И.А., Освенский В.Б., Сорокин А.И., Булат Л.П., Пивоваров Г.И. Анизотропия термоэлектрических свойств объемного наноструктурированного материала на основе (Bi,Sb)2Te3, полученного методом искрового плазменного спекания (SPS) / Труды межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применения». Санкт-Петербург, 2013. С. 29–34.
20.  Бублик В.Т., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Лаврентьев М.Г., Освенский В.Б., Булат Л.П., Пивоваров Г.И., Сорокин А.И., Табачкова Н.Ю. Объемный наноструктурированный термоэлектрический материал на основе (Bi,Sb)2Te3, полученный методом искрового плазменного спекания (SPS) / Труды межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применения». Санкт-Петербург, 2013. С. 23–28.
21.  Bulat L.P., Pshenay-Severin D.A., Drabkin I.A., Karataev V.V., Osvenskii V.B., Parkhomenko Yu.N.,  Blank V.D., Pivovarov G.I., Bublik V.T., Tabachkova N.Yu. Mechanisms of improvement of thermoelectric efficiency in bulk nanostructured polycrystals // Journal of Thermoelectricity. 2011. N 1. P. 13–18.
22.  Абрютин В.Н., Драбкин И.А., Марончук И.И., Освенский В.Б. Измерение термоэлектрических образцов методом Хармана /Труды межгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применения». Санкт-Петербург, 2004. С. 303–306.
23.  Ahiska R., Dislitas S. Computer controlled test system for measuring the parameters of the real thermoelectric module //Energy Conversion and Management. 2011. V. 52. N 1. P. 27–36.
24.  Булат Л.П., Ахыска Р. Новый метод и прибор TEPAS для измерения параметров реальной термобатареи / Труды XIIмежгосударственного семинара «Термоэлектрики и их применения». Санкт-Петербург, 2010. С. 373–378.
25.  Drabkin  I.A., Osvenskii V.B., Parkhomenko Yu.N., Sorokin A.I., Pivovarov G.I., Bulat L.P. Anisotropy of thermoelectric properties of р-type nanostructured material based on (Bi, Sb)2Te3 // Journal of Thermoelectricity. 2013. N 3. P. 35–46.
26.  Булат Л.П., Пшенай-Северин Д.А. Влияние туннелирования на термоэлектрическую эффективность объемных наноструктурированных материалов // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 3. С. 452–458.
27.  Bulat L.P., Kossakovski D., Pshenai-Severin D.A. The influence of phonon thermal conductivity on thermoelectric figure of merit of bulk nanostructured materials with tunneling contacts // Journal of Thermoelectricity. 2013. N 2. P. 30–41.
28.  Булат Л.П., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пшенай-Северин Д.А. Влияние рассеяния на границах на теплопроводность наноструктурированного полупроводникового материала на основе твердого раствора BixSb2-xTe3 // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 9. С. 1712–1716.
29.  Bulat L.P., Osvenskii V.B., Parkhomenko Y.N., Pshenay-Severin D.A. Influence of nanoinclusions on scattering of holes and phonons and transport coefficients in BixSb1-xTe3 bulk nanostructures // Journal of Solid State Chemistry. 2012. V. 193. P. 122–126.
30.  Булат Л.П., Освенский В.Б., Пархоменко Ю.Н., Пшенай-Северин Д.А. Исследование возможностей увеличения термоэлектрической эффективности в наноструктурированных материалах на основе Bi2Te3-Sb2Te3 // Физика твердого тела. 2012. Т. 54. № 11. С. 2036–2042.
31.  Булат Л.П., Освенский В.Б., Пшенай-Северин Д.А. Влияние распределения зерен по размерам на решеточную теплопроводность наноструктурированных материалов на основе Bi2Te3-Sb2Te3 // Физика твердого тела. 2013. Т. 55. № 12. С. 2323–2330.
32.  Handbook of Thermoelectrics / Ed. D.M. Rowe. CRC-Press, 1995. 720 p.
33.  Булат Л.П., Драбкин И.А., Каратаев В.В., Освенский В.Б., Пархоменко Ю.Н., Пшенай-Северин Д.А., Пивоваров Г.И., Табачкова Н.Ю. Энергетическая фильтрация носителей тока в наноструктурированном материале на основе теллурида висмута // Физика твердого тела. 2011. Т. 53. № 1. С. 29–34.
34.  Анатычук Л.И., Булат Л.П. Полупроводники в экстремальных температурных условиях. СПб: Наука, 2001. 224 с.
35.  Булат Л.П., Нефедова И.А. О нелинейных термоэлектрических явлениях // Вестник Международной академии холода. 2012. № 4. С. 54–56.
36.  Bulat L.P., Nefedova I.A. Nonlocal transport phenomena in semiconductors // Journal of Thermoelectricity. 2013. N 2. P. 5–11.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика