温差电—一门古老而又年轻的科学

ｌ＾丢’　日　＇　＇　＿一／ｒ．－Ｖ．　・天津电源研究所王风跃高级工程师・　　——一门古老而又年轻的科学　热直接转换成电能；（２）烃燃料温差发电器，主要包括使用天然气、液化　石油气、水煤气等气体燃料发电器和使用煤油、汽油等液体燃料发电　器；（３）亲热温差发电器，将各种形式可以利用的余热直接转变为电　能。　近半千世纪以来，人类发射了无数宇宙飞行器、探测器。同位素置　差发电器是迄今为止最佳的星际飞行器的辅助电薄。前苏联和美国是　饮水机是近年来发展最快的家电产品之一，饮水机中被人们通常　称做电子致拎或半导体致｝争的技术，其实应该叫做温差电致拎。顾名思　义，温差电是研究温差和电之间关系的科学，更准确地说是研究热能和　电能直接转换的科学。构成温差电技术的基础有三个基本效应。１８２１年　德国科学家塞贝克首先发现了温差电的第一个效应，人们称之为塞贝　克教应——两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，　回路中将产生电流，这一效应成为了温差发电的技术基础。而电子致｝争　所依赖的珀辑帖效应是法国科学家珀尔帖于１８３４年发现的，它是塞贝　克效应的逆教应——两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直　流电流时，两个接头之间将产生温差。第三十效应——汤姆逊技应是　１８４５年由汤姆逊发现的。　研制和使用同位素温差发电器最多的国家，仅美国白１９６１年以来，在　太空飞行中使用的同位素温差发电器意敷约４０个，这些同位素温差发　电器的输出功率从２．７瓦到３００瓦，最长的工作时间已超过３ｏ年。　１９７７年发射的旅行者２号行星际飞行器，使用的是钚一２３８回位素程　差发电器，已成功飞越了术星、土星、天王星和海王星＋现已飞出太阳　温差电现象发现后将近一个世纪，并未得到普遍应用．原因是金属　的温差电效应非常微弱。温差电技术的真正复兴可以认为从２０世纪３０　年代开始，杰出的苏联物理学家约飞最早提出采用半导体材料作为温　系，温差发电器仍在正常工作。同位素温差发电器还可以用于星球表面　着　器、长寿命导航卫星、侦察卫星、扳地或海底探　仪器以及心脏起　搏器等的电薄。　差电换能材料，特别是首先提出的固焙体合金的概念，为温差电技术的　实际应用奠定了理论与技术基础。　很显然，温差电技术分为温差发电和温差致冷两太分支。２０世纪　６０年代韧就有一批温差发电器成功地用于空间、地面和海洋。温差发电　器教率较低，一般不大于８％，因此其应用范围受到限箭。近年来，随着　技术的不断进步，温差发电器已莲精得到广泛应用。７０年代后，由于陶瓷工艺、半导体材料制备方法、切割工艺及焊接技术等的进步使温差电　致冷得到飞速发展　现在，已实用化的性能最佳的温差电致冷材料为　气体或液体燃料温差发电器用途更加广泛，边远或　僻地区的气　象站、地震嚣试站、海上导航灯塔浮标、海底电缆中继站及各种海下科　学仪器都可以使用。我国的西气东输工程中直径超过３米的输气管道　总长度将达到６ＯＯＯ公里。我国科学家已经研制成功智静控爿的以天然　气为燃料的温差发电器，它将作为输气管道胡极保护电薄应用在西气　东输工程，保护着这条太动脉的安全运行。　温整发电器可以利用的热漂多种多样。日本科学家正在研箭开发　大窖量的温差发电系统，计划在不久的将来实现工业化发电。这一系统　Ｂｉ２Ｔｅ３一ｓ瑚　—ｓ　质三元合盒，最大比值３　５　ｘ１０　／ｃｃ，用这种材料　制作的单缎致冷组件的最大温差可达到７Ｏ℃以上。　主要利用垃敏燃烧的低能热量发电，在提供电韵的同时将为人类的环　保事业作出重大贡献。堆近．我国科学家还开发成功热能表使用的温差　前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家在温差发电和温差电致拎方面进　行了最广泛的研究。现在，他们的科研成果正从航天、军事领域逐渐转　化到市场需求方面。美国也是温差电技术的强国，而且该技术领域得到　美国政府和军方的支持。我国的科研人员从六七十年代开始，对温差电　技术开展了较广泛的研究，目前已成为温差电产品生产量最大的国家　发电器，它利用供熟瞥道内的热水或蒸汽作热薄为热量表提供电薄。　２瀑羞电致烽爰其应用　由于温差电致冷所用的材料一般为半导体材料，因而置差电致冷　常被称做半导体致冷或电子致冷。温差电致冷产品的藩心为置差电致　冷组件。致冷组件的外表面一般为绝缘且导热良好的氧化铝陶瓷。致冷　之一，产品的技术性能也接近国际先进水平。　半导体材料的应用极大地推动了温差电技术的进步．目前，温差电　已形成了一个新的行业，新产品不断出理，整十行业处在上升阶段，发　展前景十分广阔。随着技术的发展，也随着氟里昂制冷剂在全球禁用，　半导体致冷技术越来越显得重要，市场越来越大。温差发电技术也正从　军事应用不断向民用方面发展，前景十分广阔。　１．诅堇发电厦其应用　温度测量用的热电偶实际上就是一个典型的温差发电器，但并未　当作电薄使用，因此一般不把它称作温差发电器。　温差发电器按热端工作温度可分为高温（７∞℃以上）、中温（４００　７００￣Ｃ）和低温（４００℃以下）发电器。高温发电器所用的换能材料主要有　锗硅合金、硅铁台金等；中温发电器所用的材料主要是碲化铅及其台　盎；低温发电器所用的材料主要是雉化铋及其舍叠。温差发电器寿命　长、可靠性高、工作时无噪声、不需或只需最少维护。　温差发电器按照所使用的热源不同可分为：（１）放射性同位素温差　发电器，它是将放射性同位紊ｆ如钚一２３８，锶一９０，钋一２１０等）的衰变　组件分为单级和多级，常规单级致冷片的面积从２蛐ｘ３唧刊　６２ｒａｍｘ６２ｍｍ，藏冷功率从０．２Ｗ到１２５Ｗ。内部由Ｐ、Ｈ型半导体元件　串联而成。如附图所示，外电场使Ｎ型半导体中的电子和Ｐ型半导体中　的空穴都朝热面运动，它们在接头驸近发生复合，电子、空穴对复合前　的动能和势能就变成了接头赴晶梏的热振动能量，于是就有大量热量　释放出来　而在致冷组件的冷面，外电坜使电子和空穴舞离开接头，在　接头赴要产生电子、空穴对，电子、空穴对的船量得自晶格的熟振动能，　于是可观察到明显的暖热现象。多级组件一般为宝塔式结构，它可以形　成更大的温差，但致冷功率相对较小。　电子致砖的饮水机可能是最常见的温差电致砖产品了。一般的杖　水机中使用了一只单级致冷组件，开机２小时水■中的水温可以捧低　到ｌＯ℃以下。比饮水机更早出现，在国外相当瞢及的另一种半导体象冷　产品应该算汽车用便携式冷曩箱了。柔巾机近年来在车南重国家盛行，　柔巾就是敏毛巾的意思，柔巾机的外形与计算机的立式机箱棍相似，内　部有储水橘，使用无纺布傲毛巾，利用半导傩致持及加热特性，输出拎　的或热的湿毛巾，而且能通过徽电脑控制送出毛巾的数量和程度。　７７　电于世再帅卑簟２栩　维普资讯 http://www.cqvip.com

０ｃ　氯化铝　半导体致冷技术应用广　热性能和晶体的电性能　半导体元件　ｌ　。　持面　！　片泛、产品众多。医用低温床　ｌ皿　…　近年来，Ｓｋｕｕｅｒｕｄ　被认为是一种有前途的温差电材料。二元　ｌｌ　ｌＩ—ｌＩ　Ｐｌｌ　ｌｌ　】。　寻　斤垫、医用持帽可以减少心晒　０－（　０－热西　Ｓｋｕｔｔｅｍｄｉｔｅｓ化台钫是笮带目ｉｃ半导体，带隙仅为致百ｍｅＶ。具有丽的载师　…　们＾　’…Ｍ　……　…　一　Ｉ　帅　Ｉ　的辅助治疗效果　显檄镜抟　　冻台、切片狰冻台更是医疗　充ＳｋｕｔｔｅｒｏＪｉｔｅｓ化合物，以得到较高的优值。已发现以稀土元素、钡、　和锡作为填充元素，可得到更高的优值。　————————１一方面不可畿少的装置　半导体致玲露点仪在科学研究领域大量使用　使　用半导体致狰的零点仪（冰点仪）的控温精度达到千分之一度。石油分　析中的倾点、凝点等测试仪更是半导体致玲的用武之地　半导体致冷的Ｃｌａｔｈｒａｔｅ＊是另一种有前途的温差电材料，太晶胞材料　典型的Ｇ．　基ａ丑ＩＩｔｒ咖ｓ．３１￣ＩＫ时　值为０．３４，随温度升高，　值是增加的。　Ｈａｌｆ—Ｈｅｕｓｌｅｒ也是一种太晶胞系统。一般表达式为ＭＮｉＳｎ　（Ｍ　除湿机在文件资料、磁盘光盘、高级暇装的保存方面起着重要作用　美国通用公司已经开发成功半导体致玲的司机座垫，而且使用了一种先　ｚ　Ｈ　Ⅱ１等。ＴｉＮｉＳ￣台金是一种Ｎ型半导体，它具有高塞贝克系帮　（４０—２５０１ｔＶ／Ｋ）、低电阻率｛ｍ　Ｉ一８ｍＩｌ・ｃｍ），但是其热导率亦较高　进的柔性连接结构，使座垫更加安全、舒适。ＣＰＵ是电脑的心脏，半导体　致玲ＣＰＵ散热器将彻底消除ｃＰｕ工作时的温度过高现象。　温差电致玲组件体积小、重量轻、可靠性高、工作时无噪声、不释放　有害化学糖质、能在任意角度安装、改变电流方向可实现致玲和加热功　能、调节电流大小可以精确控制温度。毫无疑问，这些特点对军事、航天　领域的应用极为重要。　多研究工作的目标是降低其熟导率，如掺杂、形成固熔体、减小晶粒斥　寸等方法　某些氧化物也是非常有希望的温差电材料，而且是价廉、无公害　温差电材料，高温时可直接在空气中使用。Ｐ型化台物：Ｎａ。ｃ　ｃ　ｃ　高温时优值Ｚ为１　ｘ　ｌ０一Ｋ　，无量纲优值ｚｒ大于０＇７。—叁　学者研究了掺杂和用Ｋ　，　，Ｙ３　，Ｍ¨，ｓｍ’　和ＹＩ　部分替换蔑　红外探测器的灵教度与温度有关，温度低信噪比则高，因而图像就　更清晰。军事应用的红外探测器可使用温差电致冷技术降低温度，以达　封提高信噪比的目的　ｃｃＤ器件也像红外操涮器一样．需要低温工作。　Ｎａ　ＣｏｃＯ一热电性能竹影响，试图进一步改善热电性能　所谓功能梯度材料（ｒｕｎ．ｏｎｌｙ　Ｃｍ￣［Ｊ．ｅｎｔ　Ｍａｔｅｉｆ￣，ＦＧＭ）就是使蔷　差电材料的各个部分工作在最佳温度范围。ＦｃＭ有两种。其一，载漉亍　ＣＣＤ器件一般使用二级或三教微型温差电致玲组件．采用特殊结构将　ＣＣＤ器件与致冷组件焊接起来并进行封装。　浓度ＦＧＭ，同一种材料，但载流子浓度被优化，以使材料的每一部分　各自工作温度区达到最大的优值。其二，分段ｍ畦．由不同材料连接　使用温差电致冷的军用方舱通讯车可使其中的各种控制仪器保持　在理想的工作温度。导弹发射装置要求拉温，密弹头的储存、运输更是　一成．每段材料工作在其最佳温区。１９８７年日本的科学技术厅资助对功　梯度材料盛行了可行性研究。１９９３年开始，日本宿动了第二个ＩＷ．Ｍ巨　家研究计划，主要目标就是通过梯度材料的设计来提高温差电材料　热电转换率　日本在载漉子浓度梯度变化温差电材料的研究方面作了　较多的工作　美国在分段复合梯度温差电材料方面的研究处于领先　位。美国加州理工学院喷气推进实验室（ＪＰＬ）正在研制高教分段温差哇　个授萁复杂和竣感的过程。采用韫差电致冷的发射装置使导弹发射　前控制在一定温度．确保导弹发射成功　采用温差电致玲方式的核弹头　储运箱，使核弹头在储存、运输过程中始终恒温．确保了核弹头的安　全。　潜艇的重要特性之一是隐蔽性强，因此安静是对潜艇的重要要　求。温差电熏狰的空调器代替压缩机空调在潜艇上使用可敏大降低工　作噪声。　我国已经进行了多敬载人航天的试验飞行，今后两年内我国宇航　单偶。经理论计算，发电器工作在玲面温度３ＯＯＫ，热面温度９７５Ｋ时，　率为１５％　当温差电单谒垒由Ｓｋｕｔｔｅｒ￣ｉｔｅ组成时，理论效率　Ｉ１　５％，实验测试数据已选１０％。　低维温差电学是近年来的又一研究热点。理论研究表明，降低维　员将乘坐我国自行研制的宇宙飞船飞上太空。在宇宙飞船上将进行大　量的科学试验，采用温差电取冷技术的生物培养箱是搭载生物试验的　可以大大提高温差电材料的　值，这一点已经得到实验证实　近年来　许多＾研究量子阱（二维）、量子线（一维）和量子点｛零维）。这些材料词　重要装置，可使箱内温度保持在１８一如℃，以保障砖验生街的生存条　件。一种专门储存宇航员体液的温拉精可以使搜集的样品安全带回地　面，供医学研究。美国和俄罗斯都发射过大型的空间站，空问站中的生　命保障系统设计复杂，其中大量使用了温差电致砖技术。　温差电致冷由于其自身的独特优势，在卫星，雷达、光纤通讯、激光　武器等许多方面也有着广泛应用。　３＿当１｝｜的研究热点　无论是温差发电还是温差电致玲，决定其产品性能的主要因素是　利用分子柬井延、金属氧化物化学气相沉积、高压注人、激光熔融、电稍　学沉积等工艺帝覃作。有人将熔融的铋高压注人多孔氧化铝的摸板，帝覃局　铋纳米线阵　铋纳米线的直径在２０—２∞珊，高度５５ｔｔｍ．纳米线密度　到１０・Ｉ／ｃ　俄罗斯学者在天掩石棉纳米管中制备蚋米线。石棉纳米　中填充焙融Ｉｎｓｂ、Ｂｉ、　。纳米线的直径２—１５ｒｉｍ，长度近Ｉｎ　室温　５ｉｒｍ直径纳米线的塞贝克系数可选１５０１ｔＶ／Ｋ。美国学者用分子束外垂　的方法箭备了Ｐｂｓ蜘，ｔ　ｍ／ＰｂＴｅ量子点超晶格结构。Ｐｂｓｅ同对生长硇　小岛形（直径约ｌ０珊）的ＰｂＴｅ上。室温时量子点的ｚｒ为０　９，高温　温差电材料的优懂ｚ，优值Ｚ越大越好　目前，室温下最好的温差电材料的优值Ｚ约为３　５×１０一／Ｋ。如果　Ｚ提高到目前的三倍．即达到０　Ｏ１／Ｋ，温差电致冷产品的工作效率将　值达到２　０。　目前，科学家们正在研究将低维和超晶格结构温差发电器件或聱　冷器件集成到半导体芯片上，形成芯片系统（ｓｏｃ），这或许将带来檄　可以与目前机械制玲相兢美，我们身边的致玲设备将实现真正意义上　的绿色环保。科学宗正在通过研箭新材料、开发功能梯度材料、降低材　子技术新的飞跃。　微型温差电器件是当今温差电技术的另一前措。电子器件檄型卅　料维敷来实现这一美好理想。　一和军事应用迫切需要研制高熟流密度、高功率密度、快速响应时间、棚　温差时能产生高电压的徽型温差发电组件。檄型组件可分为檄型温　发电器、微型温差电传感器和微型温差电致玲器。其工艺大致分三类　位美国学者描述了可作为候选的高性能温差电材料的特点。典　型的高性盼温差电材料应是窄带隙半导体．３ＯＯＫ时禁带宽度为ＩＯｋＢＴ．　或０　２５ｅＶ；迁移率应高，即达到２０００ｅａｒ　／（Ｖ・日）；而热导率应最低。因　此，最好的温差电材料应是声子玻璃电子导体ＰＧＥｃ。即应具有玻璃的　一是块状材料为基础的工艺，二是薄膜和檄电子机械工艺（ＭＥＭＳ）．三　是厚膜工艺。　●　电子世界２Ｏ幢年蕾２■