复合层状氧化物热电材料的性能研究

【摘要】：近年来,随着工业的快速发展,能源供应日益短缺,环境友好的可再生能源技术成为人们研究的关注重点,其中热电转化技术是人们研究的重点之一。热电技术的研究主要集中在开发新的热电材料以及如何对现有的热电材料进行改性。本论文拟以目前受到研究工作者广泛关注的层状热电材料为研究对象,主要包括BiCuXO (X= Se, Te)基和Bi2Sr2Co2Oy基两类层状氧化物热电材料。采用复合的方法来优化这两类材料的电导率或者热导率,并进一步研究复合对其热电性能的影响。主要研究工作如下：1 BiCuTeO与BiCuSeO复合对热电性质影响的研究通过对比球磨前后BiCuSeO和BiCuTeO陶瓷的电输运结果,发现球磨可以提高陶瓷样品的电导率。经过球磨成功制备了结构稳定成分均匀的(1-x)BiCuSeO+xBiCuTeO复合陶瓷,对其热电性质进行研究发现,随着体系中BiCuTeO成分的增多,样品的电导率有了很大的提高,这是因为BiCuSeO电导率比较低而BiCuTeO电导率比较高,从而提高了体系的电导率,使得0.9BiCuSeO+0.1BiCuTeO的样品ZT值与BiCuSeO相比有了很大的提升。但是由于BiCuTeO的Seebeck系数较低,所以0.1BiCuSeO+0.9BiCuTeO的样品ZT值与BiCuSeO相比变化不大。2、Bi2Sr2Co2Oy复合碳对热电性质影响的研究采用光学浮区法生长了结构稳定成分均匀的(1-x)Bi2Sr2Co2Oy+xC复合单晶体系,对其热输运性质进行研究发现,分别复合碳纳米管和多孔碳后,样品的热导率都有所降低,这是因为碳材料的结构疏松多孔,晶体结构空隙大,提高了晶格声子散射的能力,从而降低了晶格热导率。但是对该体系的电输运性质进行研究发现,复合碳材料后,电导率也降低了几个数量级,这是因为碳纳米管和多孔碳的导电性都不好,降低了载流子迁移率导致的。通过上述研究,我们对层状结构的BiCuXO (X=Se, Te)和Bi2Sr2Co2Oy体系的微结构、电输运和热输运有了更深的理解。对于BiCuXO (X=Se, Te)体系,通过复合的方法可以提高热电性能,但复合的时候量要适度,把握好电导率和Seebeck系数的平衡是关键问题。应多次尝试改变复合的量,找到一个最佳组合点使功率因子达到最大,从而最大程度地提升材料的热电性能。对于(1-x)Bi2Sr2Co20y+xC体系,应选择复合烯化碳材料,由于这一类材料的导电性很好,能够实现降低热导率的同时提高电导率,提升Bi2Sr2Co2Oy基材料的热电性能。