硅锗合金高温热电转换性能的研究

摘要

目前人们普遍认为，这个世纪是各国太空探索最为激烈的一个世纪，为争夺空间优势，夺取战略制高点，各国都在努力开展自己的深空探测计划。空间探测领域的实践经验证明，放射性同位素温差发电器(RTG)是一种最安全、可靠的电源，能够胜任一些普通电源无法胜任的工作，先进的温差电源是争夺空间优势中不可忽视的一项技术。我国虽然对半导体致冷机理和应用研究已经具有了一定水平，已有商品器件出售，但对于温差发电的研究，则很少涉猎。目前国际上有一些成熟的中低温区（<400K）的温差发电器产品。这类温差发电器的基本上都采用了低温区Bi2Te3 基材料，而高温区还没有比较成熟的产品，理论证明高温区的主要热电材料就是SiGe 合金。 本文重点通过在300－1100 K 的温度范围内研究不同Ge 浓度、不同晶向、不同载流子浓度和不同导电类型的SiGe 合金材料的热电参数，寻找到在该温区热电性能最好的SiGe合金参数，为将来制作以SiGe 合金材料为热电转换器件、以同位素衰变为热源的温差发电器提供理论和实验基础。 实验表明，材料的热电转换效率主要由载流子迁移率和声子散射程度决定。为了提高Seebeck 电动势就要求载流子迁移率越高越好。载流子浓度的高低和晶格的有序排列程度是决定Seebeck 系数绝对值大小的主要因素。实验中发现Ge 含量高的单晶Seebeck 系数绝对值大。而为了降低材料的热导率则要求声子散射程度越小越好。实验中发现Ge 含量越高，热导率越低，而且对温度的敏感程度越明显。实验结果表明随温度的升高，Ge 含量20％的样品的热导率急剧下降，而其它样品的热导率下降程度则不太明显。 实验中还发现，材料的热电性能具有明显的各向异性，在其它参数相同的情况下，<100>方向的高温转换效率明显优于<111>方向；从导电类型来看，P 型材料的温差电性能整体高于N 型材料，但从ZT 值随温度的变化情况来看，N 型更适合于高温阶段，随温度的升高ZT 值也单调上升。 通过实验研究也发现，转换效率高的SiGe 合金材料其载流子浓度数量级应大于1020/cm3，且Ge 含量高的<100>单晶热电转换性能最佳。