Термоелектричні гілки n- і p-типів провідності з функціонально-градієнтних матеріалів на основі pb-te

1. Термоелектричні гілки n- і p-типів провідності з функціонально-градієнтних процентний вміст C яких змінюється від матеріалів на основі Рb-Те для генераторних C1 = 0,04 мол. % РbI біля холодної до C 2 = 0,08 2 термоелементів, які відрізняються тим, що мол. % PbI2 біля гарячої граней за законом розподіл легуючих домішок вздовж висоти гілок створюється таким чином, що концентрація носіїв C n = (3,8 + 18,7 × x - 27 ,8 × x 2 + 16,3 × x 3 - 2,6 × x 4 ) × 10 - 2 19 ; у гілках p -типу провідності розподіл легуючих струму N змінюється від 0,8 × 10 см -3 біля 19 домішок Na, процентний вміст C яких змінюється холодної до 1,5 × 10 см -3 біля гарячої граней за від C1 = 0,2 ат. % Na, біля холодної до C 2 = 0,9 Nn = 0,8 + 2,4 × x - 3,4 × x 2 + 1,5 × x 3 × 1019 законом ат. % Na біля гарячої граней за законом ( x = x / l - безрозмірна координата вздовж висоти C p = 2,0 + 3,1 × x + 50 ,7 × x 2 - 82, 2 × x 3 + 35,8 × x 4 × 10 -1 19 за умов, що похибка реалізації цих залежностей гілки l ) для гілок n -типу провідності та від 10 не перевищує 20 %. 19 см -3 біля холодної до 2,3 × 10 см -3 біля гарячої граней за законом (13) 26669 (11) температурі 30°С на рівні 0,03мол.% РbI2 для віток n-типу провідності й 0,3ат.% Na для віток р-типу провідності. Недоліком віток із однорідних матеріалів є відсутність прояву в них дії об'ємних термоелектричних ефектів, які мають місце тільки в неоднорідних структурах і за рахунок яких відбувається підвищення ефективності генераторів [3]. Тому актуальним є завдання створення віток із неоднорідних матеріалів, в яких найкращим чином проявляються об'ємні термоелектричні ефекти, направлені на підвищення ККД генераторів. Вказане завдання вирішується тим, що для генераторних термоелементів запропоновано гілки n- та p-типу провідності на основі функціональноградієнтних оптимізованих матеріалів з кристалів твердих розчинів Рb-Те, в яких розподіл легуючих UA Корисна модель стосується термоелектрики і може бути використана у виготовленні віток з термоелектричних матеріалів на основі Рb-Те для генераторних термоелементів і модулів на їх основі, що застосовуються для прямого перетворення теплової енергії в електричну. Існуючі гілки з термоелектричних напівпровідникових матеріалів на основі Рb-Те n- і p-типів провідності мають рівномірний розподіл домішок вздовж їх висоти [1] і дозволяють створювати генераторні модулі з робочим діапазоном температур 30°С-600°С, які володіють певним коефіцієнтом корисної дії (ККД) перетворення. Із відомих аналогів найбільш близькими за характеристиками є гілки з наведених в [2] однорідних термоелектричних матеріалів на основі Рb-Те з процентним вмістом домішок при U ) (19) ( 3 26669 домішок вздовж висоти віток створюється таким чином, що концентрація носіїв струм у N змінюється від 0,8·1019см -3 у холодної до 1,5·1019см -3 у гарячої граней за законом Nn=(0,8+2,4·x-3,4·x2+1,5·x3)·1019 ( x = x /l безрозмірна координата вздовж висоти гілки l) для віток n-типу провідності та від 1019 см -3 у холодної до 2,3·1019см -3 у гарячої граней за законом Np=(1,0-0,5·х+10,1·х2-13,3·х3+5,0·х4)·1019 для віток p-типу провідності за умов, що похибка реалізації цих залежностей не перевищує 20%; вказані оптимальні розподіли концентрації носіїв у гілках p-типу провідності створюються розподілом легуючи х домішок РbI2, процентний вміст С яких змінюється від С1=0,04мол.% PbI2 у холодної до C2=0,08мол.% PbI2 у гарячої граней за законом Cn=(3,8+18,7·x-27,8·x2+16,3·x3-1,6·х4)·10-2; у гілках р-типу провідності розподіл легуючих домішок Na, процентний вміст С яких змінюється від С1=0,2ат.% Na у холодної до С 2=0,9ат.% Na у гарячої граней за законом С p=(2,0+3,1·x+50,7·x282,2·x3+35,8·x4)·10-1 за умов, що похибка реалізації цих залежностей не перевищує 20%. Відповідність критерію "новизна" запропонованим гілкам для термоелементів забезпечує та обставина, що в існуючому на момент подання заявки рівні техніки відсутній об'єкт, який співпадає за сукупністю ознак з об'єктом, що заявляється. З існуючого рівня техніки також не слідує можливість підвищення ККД генераторних модулів шляхом застосування віток із функціонально-градієнтних матеріалів на основі Рb-Те. До такого висновку нас привів результат великого об'єму теоретико-фізичних досліджень. Ця обставина забезпечує запропонованому рішенню відповідність критерію "винахідницький рівень". Промислове застосування запропонованих віток термоелементів не вимагає спеціальних технологій та прийомів. Їх ви готовлення можливе на існуючих підприємствах електронної промисловості. На Фіг.1 наведено типову конструкцію віток, а на Фіг.2 представлено графіки оптимальних розподілів концентрації носіїв струму Nn, Np вздовж довжини l віток n- і p-типів провідності, відповідно, які необхідно реалізувати у заявлених вітках з функціонально-градієнтних матеріалів на основі Pb-Те. На Фіг.3 подано графіки розподілів процентного вмісту домішки Pbl2 у вітці n-типу провідності Сn та домішки Na у вітці p-типу провідності Ср, якими можна реалізувати вказані на Фіг.2 оптимальні розподіли концентрації носіїв струму у відповідних ві тках. Запропоновані вітки n- і p-типів провідності (Фіг.1) виконуються у вигляді прямокутних паралелепіпедів довжиною l та розмірами поперечних перерізів (m×n) з термоелектричних кристалів на основі Pb-Те. Відомими технологічними методами між холодною нижньою та гарячою верхньою торцевими гранями (m×n) n- і р-типів віток створюється функціональноградієнтна структура, в якій зміна концентрації носіїв струму вздовж висоти вітки оптимізується у такий спосіб, щоб забезпечувати максимальний 4 ККД перетворення теплової енергії в електричну. Проведені розрахунки показали, що максимальний ККД спостерігається у випадку, коли для віток nтипу провідності закон зміни концентрації носіїв струму вздовж висоти l представляється наступним виразом N=(0.8+2.4×х-3.4×x2+1.5×x3)×1019, при цьому концентрація носіїв струму змінюється від n=0.8×1019см-3 у холодної до n2=1.5×1019см -3 у гарячої граней, відповідно. Для віток p-типу провідності закон зміни концентрації носіїв струму вздовж висоти l представляється наступним виразом Np=(1.0-0.5×х+10.1×х2-13.3×х3+5 .0×х4)×1019, а концентрація носіїв змінюється від p1=1019см -3 у холодної до р2=2.3×1019см -33 у гарячої граней, відповідно. Розрахунки показали, що вказані оптимальні розподіли концентрації носіїв можна створювати у вітках p-типу провідності розподілом легуючи х домішок Pbl2, процентний вміст С яких змінюється від 0.04мол.% Рbl2 біля холодної до 0.08мол.% Pbl2 біля гарячої граней за законом Сn=(3.8+18.7×x-27.8×х2+16.3×х3-2.6×х4)×10-2 та у вітках p-типу провідності розподілом легуючих домішок Na, процентний вміст яких змінюється від 0.2ат.% Na біля холодної до 0.9ат.% Na біля гарячої граней за законом С р=(2.0+3.1×х+50.7×х282.2×х3+35.8×х4)×10-1. На основі результатів проведених нами розрахунків [4] можна стверджувати, що застосування запропонованих віток з функціонально-градієнтних матеріалів на основі Рb-Те n- p-типу провідності дозволяє підвищити значення ККД генераторних модулів в 1.2-1.3 рази порівняно з ККД модуля, виготовленого з однорідних термоелектричних матеріалів на основі Pb-Те. Наведені функціональні залежності неоднорідного розподілу концентрації носіїв струму (Фіг.2) і відповідних їм розподілів легуючих домішок (Фіг.3) у матеріалах для віток n- і р-типів провідності отримувались шляхом застосування комп'ютерних методів, що базуються на теорії оптимального керування [4]. Подальші розрахунки показали, що розкид технологічної похибки реалізації цих залежностей не повинен перевищувати 20%. Використання запропонованих віток в термоелектричних генераторних модулях дозволить підвищити їх ККД, що приведе до значного розширення галузей їх практичного застосування. Література: 1. Анатычук Л.И. Термоэлементы и термоэлектрические устройства. Справочник. Киев: Наукова думка, 1979. - 766с. 2. Охотин А.С., Ефремов А.А., Охотин B.C., Пушкарский А.С. Термоэлектрические генераторы. - М.: Атомиздат, 1971. - 288с. 3. Анатычук Л.И. Термоэлектричество. Т.II. Термоэлектрические преобразователи энергии. Киев, Черновцы: Институт термоэлектричества, 2003. - 376с. 4. Vikhor L.N. Optimal Function as a New Step of the Thermoelectricity Development // J. of Thermoelectricity. - N4. - 1996. - p.29-37. 5 26669 6