n型Bi2Te3厚膜热电材料的制备及其器件设计与评价

摘要

热电器件是一种能够实现热能和电能互相转化的结构功能一体化装置。随着计算机技术、航天技术及微电子技术的发展，小型、高效、长寿命热电发电和制冷热电器件越来越受重视。相比于块体热电器件和薄膜热电器件，厚膜热电器件具有体积小、成本低等优势。Bi2Te3基厚膜热电材料的传统制备方法如喷墨打印法、丝网印刷法、点胶打印法和电化学沉积法等已有大量的报道，但这些方法存在设备昂贵、制备过程复杂、效率低等问题。为此，本文发展了一种涂刷法制备Bi2Te3基厚膜热电材料的新工艺，制备了n型Bi2Te2.7Se0.3厚膜热电材料，研究了涂刷浆料配比、化学成分和热处理对厚膜材料的热电性能的影响，设计并制备了厚膜原型器件，理论计算和实验测试相结合对器件的制冷性能进行了评价。得到以下主要结果：
　　采用涂刷法制备了一系列厚度为100-150μm的n型Bi2Te2.7Se0.3厚膜材料，研究了热处理温度和时间对厚膜材料的物相组成、化学成分、显微结构和热电性能的影响规律。结果表明：在4 h条件下，573-773 K范围热处理的材料均为单相Bi2Te2.7Se0.3，573-623 K时颗粒随机分布，673-723 K时颗粒沿（00l）面择优取向形成层状结构，超过723 K后因出现孔洞和微裂纹而层状结构破坏，573-673 K热处理材料电导率（σ）增加，Seebeck系数（α）增加;超过673K后σ降低、α降低，最优热处理温度为673 K；在673 K条件下，2-8 h范围热处理材料均为单相Bi2Te2.7Se0.3，2-4 h时颗粒烧结致密度逐渐提高，超过4 h后因出现大量孔洞和微裂纹而致密度降低，Se元素挥发程度表现为2-4 h时不明显、4-6 h时偏离化学计量比、6-8 h时严重偏离化学计量比达40％，2-4 h热处理材料σ和α均增加,4-8 h热处理材料σ降低、α降低，最优热处理时间为4 h。n型Bi2Te2.7Se0.3厚膜材料功率因子（α2σ）最大的热处理工艺为673 K和4 h，320 K时最大α2σ达0.24 mW·K-2·m-1。
　　采用外加Se补偿法调节涂刷浆料的配比为Bi2Te2.7Se0.3+x wt%Se（6≤x≤16，Δx=2），在优化工艺参数673 K、4 h条件下制备厚膜材料，研究了补偿Se法对厚膜热电材料的物相组成、化学成分、显微结构和热电性能的影响规律。结果表明：所有厚膜热电材料主相均为 Bi2Te2.7Se0.3相，6≤x≤12时样品为单相Bi2Te2.7Se0.3，x≥14时样品中除Bi2Te2.7Se0.3外还含有少量Se相，x增大提高厚膜材料致密度的原因是低熔点单质Se熔化产生液相促进了烧结传质并填充了部分孔洞，x=10时样品接近最佳化学计量比Bi2Te2.69Se0.30。随Se加入量x增大，厚膜材料的电导率逐渐增大、Seebeck系数降低；x=10时厚膜材料具有最大α2σ值，320 K时达到0.29 mW·K-2·m-1，化学成分优化显著提高了厚膜材料的热电性能，与未优化厚膜相比提高了21%。
　　采用涂刷法交替涂刷p型Bi0.5Sb1.5Te3和n型Bi2Te2.7Se0.3厚膜材料，然后用蒸发镀膜法制作了Cu电极，成功制备了厚膜热电制冷器件。利用热力学传输模型并结合厚膜材料的各项性能数据，计算了厚膜器件理论最大制冷温差可达9.6 K；搭建了器件制冷性能测试装置，在不同大小直流电流下实际测试了器件冷热端的温度与时间的关系曲线，得到最大制冷温差约为2K。

目录

声明

第1章 前 言

1.1研究背景和意义

1.2 热电效应及其原理

1.3热电材料的电热输运性能

1.4厚膜热电材料的研究现状

1.5 本论文选题的目的、研究方案和主要内容

第2章 n型Bi2Te2.7Se0.3厚膜材料的制备和热电性能

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 热处理温度对n型 Bi2Te2.7Se0.3厚膜材料的影响

2.4. 热处理时间对n型 Bi2Te2.7Se0.3厚膜材料的影响

2.5 本章小结

第3章 n型Bi2Te2.7Se0.3厚膜成分优化和热电性能

3.1 引言

3.3 结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 厚膜制冷器件的设计制备及评价

4.1 引言

4.2 厚膜制冷器件制备组装

4.3 厚膜器件制冷性能理论计算

4.4器件制冷性能实验测试

4.5 本章小结

第5章 结 论

参考文献

致谢

硕士期间发表论文