一种温差发电时无形变的块体热电材料

摘要

本发明是一种温差发电时无形变的块体热电材料。该热电材料的化学成分为Cu

说明书

技术领域

 本发明是一种块体热电材料，特别是一种解决了Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）基热电模块在室温至1000℃温度范围内温差发电时发生的弯曲或者变形问题的块体热电材料，属于块体热电材料的创新技术。

背景技术

热电材料作为能将热能直接转换成电能的材料，可用于废热利用,也可将太阳光转换成热后再进行发电，即“太阳能-热能-电能”的发电方式(以下叫做”太阳能热伏”)。太阳能热伏可以通过廉价的反射材料将太阳光集中在较小面积和体积的热电材料上产生高温发电，减少了热电材料的用量,降低发电成本。另一方面，热电材料的转换效率由下式决定：                                               ，ZT为热电材料的绩效因子，ZT=，σ为电导率，S为Seebeck系数，T为绝对工作温度，k为热导率。因此，热电材料的转换效率与ZT、冷热端温差以及所处温度有关。ZT越高、冷热端温差越大、工作温度越高，转换效率越高。而且只有ZT值在2以上、发电温度在600℃以上的热电材料制作的热发电设备才有可能与当今现有的蒸汽发电机的转换效率和成本相当，才能具有商业应用的可能。反射材料聚光可以获得很大的发电工作温度，一般是在300℃以上的高温段，并且工作温度可调。从工作温度和绿色能源的角度讲太阳能热伏发电具有获得高转换效率的潜力，越来越受到能源领域的关注。

但是目前除了军事和航天的应用以外，还没有哪种热电材料用于商业太阳能热伏发电。究其原因主要是由于目前的体热电材料除了Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）、LAST体系ZT在2以上以外，其余的体材料的ZT值都在2以下。但是LAST成分复杂，结构不稳定，制备工艺不好控制。而Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）体系成分相对简单，结构相对稳定；但在高温（如700℃以上的温度）工作时，模块热端都容易软化变形。这是热电模块发电最忌讳的一点。因此需要解决Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）基热电模块在中、高温温度范围内温差发电时会发生弯曲或者变形的问题，为Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）体系在太阳能热伏发电提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种在室温至1000℃温差发电时确保热电模块不弯曲变形的温差发电时无形变的块体热电材料，本发明保持最高热电绩效因子２≤ＺＴ≤2.5。

本发明的技术方案是：本发明的温差发电时无形变的块体热电材料，该热电材料的化学成分为Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）与元素A的混合物；且该混合物的成分摩尔比满足：(M_Cu+nM_A):M_Se=(2+y):1，其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_A为A元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，n为元素A的化合价，0.05≤y≤0.1。

上述元素A为：A= Mo，W，C，Al中的任一种。

上述块体热电材料的最高热电绩效因子为２≤ZT≤2.5。

本发明是一种在保持或者提高热电性能的前提下，解决Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）基热电材料在室温至1000℃温度范围内温差发电时模块形变问题的块体热电材料。Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）基热电材料是一种适合在工业余热，汽车废热，太阳能热发电领域具有极大应用前景的块体热电材料之一。本发明的块体热电材料在室温到1000℃温差发电时基热电模块不弯曲变形，并保持最高热电绩效因子２≤ZT≤2.5的块体热电材料。本发明的块体热电材料解决了Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）基热电模块在室温至1000℃范围温差发电应用的关键技术问题，具有非常重要的应用价值。本发明是一种性能优良，最高热电绩效因子２≤ZT≤2.5，适合于热电商业应用的温差发电的无形变块体热电材料。

具体实施方式

本发明的室温至1000℃温度范围内温差发电时无形变的块体热电材料，该热电材料的化学成分为Cu_2-xSe（0≤x≤0.25）与元素A的混合物；且该混合物的成分摩尔比满足：(M_Cu+nM_A):M_Se=(2+y):1，其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_A为A元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，n为元素A的化合价，0.05≤y≤0.1。得到的块体热电材料的最高热电绩效因子２≤ZT≤2.5。

上述元素A为：A= Mo，W，C，Al中的任一种。

本发明的具体实施例如下：

实施例1：本发明的块体热电材料设计为由原来的Cu₂Se基热电模块的化学成分变为Cu₂Se与元素Mo的混合物。且该混合物的成分满足：(M_Cu+6M_Mo) : M_Se=2.05 : 1（摩尔比），其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_Mo为Mo元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，6为元素Mo的化合价。本发明的块体热电材料在室温到1000℃温差发电时热电模块不弯曲变形，最高ZT在643℃，为2.1。

实施例2：本发明的块体热电材料设计为由原来的Cu_1.99Se基热电模块的化学成分变为Cu_1.99Se与元素W的混合物。且该混合物的成分满足：(M_Cu+6M_W) : M_Se=2.1 : 1（摩尔比），其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_W为W元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，6为元素W的化合价。本发明的块体热电材料在室温到1000℃温差发电时热电模块不弯曲变形，最高ZT在605℃，为2.05。

实施例3：本发明的块体热电材料设计为由原来的Cu_1.75Se基热电模块的化学成分变为Cu_1.75Se与元素W的混合物。且该混合物的成分满足：(M_Cu+4M_C) : M_Se=2.08 : 1（摩尔比），其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_C为C元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，4为元素C的化合价。本发明的块体热电材料在室温到1000℃温差发电时热电模块不弯曲变形，最高ZT在678℃，为2.17。

实施例4：本发明的块体热电材料设计为由原来的Cu_1.84Se基热电模块的化学成分变为Cu_1.84Se与元素Al的混合物。且该混合物的成分满足：(M_Cu+3M_Al) : M_Se=2.075 : 1（摩尔比），其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_Al为Al元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，3为元素Al的化合价。本发明的块体热电材料在室温到1000℃温差发电时热电模块不弯曲变形，最高ZT在625℃，为2.25。

实施例5：本发明的块体热电材料设计为由原来的Cu_1.91Se基热电模块的化学成分变为Cu_1.91Se与元素W的混合物。且该混合物的成分满足：(M_Cu+6M_Mo) : M_Se=2.06 : 1（摩尔比），其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_Mo为Mo元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，6为元素Mo的化合价，y=0.06。本发明的块体热电材料在室温到1000℃温差发电时热电模块不弯曲变形，最高ZT在660℃，为2.0。

实施例6：本发明的块体热电材料设计为由原来的Cu_1.88Se基热电模块的化学成分变为Cu_1.88Se与元素W的混合物。且该混合物的成分满足：(M_Cu+6M_W) : M_Se=2.065 : 1（摩尔比），其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_W为W元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，6为元素W的化合价，y=0.065。本发明的块体热电材料在室温到1000℃温差发电时热电模块不弯曲变形，最高ZT在632℃，为2.16。

实施例7：本发明的块体热电材料设计为由原来的Cu_1.80Se基热电模块的化学成分变为Cu_1.80Se与元素C的混合物。且该混合物的成分满足：(M_Cu+4M_C) : M_Se=2.056 : 1（摩尔比），其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_C为C元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，4为元素C的化合价。本发明的块体热电材料在室温到1000℃温差发电时热电模块不弯曲变形，最高ZT在730℃，为2.5。

实施例8：本发明的块体热电材料设计为由原来的Cu_1.92Se基热电模块的化学成分变为Cu_1.92Se与元素Al的混合物。且该混合物的成分满足：(M_Cu+3M_Al) : M_Se=2.1 : 1（摩尔比），其中M_Cu为Cu元素在该混合物中的摩尔分数，M_Al为Al元素在该混合物中的摩尔分数，M_Se为Se元素在该混合物中的摩尔分数，3为元素Al的化合价。本发明的体热电模块在室温到1000℃温差发电时热电模块不弯曲变形，最高ZT在680℃，为2.1。