Термоелектричні гілки з наноструктурованих матеріалів bi-sb-te p-типу провідності

Реферат: UA 96424 U UA 96424 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель стосується термоелектрики і може бути використана у виготовленні гілок ртипу провідності із термоелектричних порошкових матеріалів на основі Bi-Sb-Te для генераторних та охолоджувальних термоелементів і модулів на їх основі, що застосовуються для прямого перетворення теплової енергії в електричну або для термоелектричного охолодження. Існуючі гілки із функціонально-градієнтних термоелектричних матеріалів (ФГТМ) на основі Bi-Sb-Te з метою досягнення максимального ККД, генерованої потужності при роботі на узгоджене навантаження або холодильного коефіцієнта мають спеціальним чином оптимізований нерівномірний розподіл домішок вздовж їх висоти у відповідності з певним, наприклад квадратичним, законом [1], узгодженим з розподілом температур вздовж гілки. Це дозволяє створювати, зокрема, генераторні модулі з робочим діапазоном температур 30 °C250 °C, які мають ККД перетворення в 1.25-1.3 рази вищий за ККД модулів з однорідних матеріалів [2]. Застосування ФГТМ гілок в модулях для охолоджувачів, зокрема каскадного типу, забезпечує підвищення холодильного коефіцієнту і, відповідно, зниження енергоспоживання на 30-50 % [2]. Недоліками гілок з таких функціонально-градієнтних матеріалів є технологічна складність досягнення потрібного розподілу концентрації домішок вздовж висоти гілки і поступова часова еволюція цього розподілу до рівномірного внаслідок дифузії під час роботи термоелектричних модулів. Особливо це стосується генераторних модулів, які функціонують протягом тривалого терміну за умов підвищених температур. Із відомих аналогів найбільш близькими за характеристиками є гілки з наведених в [3] об'ємних наноструктурованих матеріалів (ОНСМ), отриманих з нанопорошків твердих розчинів або аморфної фази матеріалів на основі Ві-Те шляхом гарячого пресування, або іскрового плазмового спікання. Такі наноструктури мають підвищене значення безрозмірної термоелектричної добротності [4]. Недоліком таких гілок є те, що гранулометричний склад порошків при цьому не оптимізується і не є узгодженим з розподілом температур вздовж висоти гілок, як це має місце для розподілу концентрації домішок у гілках з ФГТМ. Це не дозволяє досягти максимально можливих значень безрозмірної термоелектричної добротності ОНСМ або навіть зберегти її на рівні, характерному для монокристалу [5]. Тому актуальною є задача пошуку таких шляхів підвищення добротності ОНСМ для термоелектричних гілок та вихідних енергетичних характеристик виготовлених на їх основі генераторних та холодильних модулів, які б забезпечували максимальне використання переваг класичних розмірних ефектів [6-8]. Поставлена задача вирішується тим, що для генераторних та охолоджувальних термоелементів запропоновано гілки р-типу провідності на основі оптимізованих матеріалів з нанопорошків змінного гранулометричного складу, виготовлених з кристалів твердих розчинів Bi-Sb-Te, які відрізняються тим, що крупність зерен узгоджена зі зміною температури вздовж висоти гілки таким чином, щоб при кожному значенні температури досягалось найбільше значення термоелектричної добротності матеріалу. Наприклад, якщо розподіл частинок 2 2 нанопорошку за радіусом r є розподілом Релея з густиною імовірності w(r)=(r/r0)exp(-r /2r0 ), то найбільш імовірний радіус r0 (в нанометрах) наночастинок повинен змінюватись з температурою вздовж гілки в області температур більших від 100К за законом: 1.24 r0(T)=49.1/[1+0.0069(T-100) ]. 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 випливає однозначна можливість підвищення ККД генераторних модулів та холодильного коефіцієнту шляхом застосування нанопорошків з матеріалів на основі Ві-Те без оптимізації їх гранулометричного складу. До такого висновку нас привели результати виконання пошуку та аналізу патентної і науково-технічної інформації та значного об'єму теоретико-фізичних досліджень. Промислове застосування запропонованих гілок термоелементів не вимагає спеціальних технологій та прийомів. Їх виготовлення можливе на існуючих підприємствах електронної промисловості. На фіг. 1, 2 представлено графіки температурних залежностей оптимального найбільш імовірного радіуса r0 частинок ОНСМ на основі Bi-Sb-Te p-типу провідності (фіг. 1) та відповідного йому рівня безрозмірної термоелектричної добротності відносно монокристалу (ZT)/(ZT)mono, (фіг. 2), які необхідно реалізувати у заявлених гілках з матеріалів на основі нанопорошків змінної крупності. Такі залежності були отримані шляхом застосування комп'ютерних методів, що базуються на розробленій теорії класичних розмірних ефектів в 1 UA 96424 U 5 10 15 20 ОНСМ [7, 8]. Проведені розрахунки показали, що застосування запропонованих гілок з ОНСМ ртипу провідності дозволяє підвищити значення безрозмірної термоелектричної добротності ОНСМ в порівнянні з монокристалом в діапазоні температур 100-600К в 1.1-1.3 рази (фіг. 2). Джерела інформації: 1. Патент на корисну модель UA 23851. Україна. МПК H01L 35/12. Термоелектричні гілки із функціонально-градієнтних матеріалів на основі Bi-Te-Se-Sb / Л.І. Анатичук, Л.М. Вихор (Україна). - Заявка u200700654 від 22.01.2007; Опубл. 11.06.2007, Бюл. № 8. – 2 с. 2. Анатычук Л.И., Вихор Л.Н. Термоэлектричество, том IV. Функционально-градиентные термоэлектрические материалы. - Институт термоэлектричества, Черновцы, 2012, 180 с. 3. Blank V.D., Pivovarov G.I., Popov M.Y., Tatyanin E.V. Thermoelectric nanocomposite, method for making the nanocomposite and application of the nanocomposite. Patent of USA No 0108774 Al. Patented May 12, 2011, Int. C1. H01B 1/00. 4. Fan S., Zhao J., Guo J., Yan Q., Ma J., Hang H.H. P-type Bi0.4Sb1-6Te3 Nanocomposites with Ehanced Figure of Merit. //A ppl. Phys. Lett. - 2010. - 96. - p. 182104/1-3. 5. Fan S., Zhao J., Guo J., Yan Q., Ma J., Hang H.H. Influence of Nanoinclusions on Thermoelectric Properties of n-type Bi2Te3 Nanocomposites. // Journal of Electronic materials. - 2011. - 40, No.5. - p. 1018-1023. 6. Горський П.В., Михальченко В.П. До питання про механізм збільшення термоелектричної добротності об'ємних наноструктурованих матеріалів. // Термоелектрика. - 2013. - № 5. - с. 5-10. 7. Горський П.В., Михальченко В.П. Про вплив способу усереднення кінетичних коефіцієнтів за розмірами часток на прогнозовану добротність наноструктурованого термоелектричного матеріалу. // Термоелектрика. - 2013. - № 4. - c. 5-11. 8. Горский П.В. Новый класс функционально-градиентных материалов. / В кн.: Пятнадцатая МНПК СИЭТ-2014. - С. 32-33. - Одесса-2014. 25 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 Термоелектричні гілки для охолоджувальних та генераторних термоелементів на основі оптимізованих наноструктурованих матеріалів з порошків Bi-Sb-Te р-типу провідності, які відрізняються тим, що крупність зерен узгоджена зі зміною температури вздовж висоти гілки таким чином, щоб при кожному значенні температури досягалось найбільше значення термоелектричної добротності матеріалу. 2 UA 96424 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3