设计更好的热电发电材料的策略
近年来，世界各地的工程师和科学家一直在研究利用可再生能源发电的新技术，包括光伏发电、风力涡轮机和水力发电机。减轻气候变化影响的另一种解决方案可能是将工业、家庭和炎热自然环境产生的多余或废热转化为电能。这种方法被称为热电发电，依赖于使用具有宝贵热电特性的材料。具体来说，当这些材料一侧暴露在特别高的温度，另一侧暴露在较冷的温度时，它们内部的电子开始从热的一侧流向较冷的一侧，从而产生电势
虽然最近的研究发现了一些有前景的热电材料，但由于设计和制造最佳模块结构存在挑战，模块性能并不令人满意。这大大限制了它们在热电模块中的潜在实际集成。
浦项科技大学、乔治华盛顿大学等研究人员最近提出了一种基于硒化铜（Cu 2 Se）的热电材料设计新策略。
《自然能源》杂志发表的一篇论文概述了这一策略，它使他们能够使用更容易大规模复制的技术设计出有前景的高功率发电材料。
“传统的热电装置由 p 型和 n 型半导体支柱组成，呈长方体形状，排列成热电偶结构，”论文合著者 Jae Sung Son 告诉 Tech Xplore。“在这些装置中，这些支柱的长度和纵横比设计对于优化热阻和电阻以最大限度地提高发电量至关重要。
“在这种情况下，非长方体三维（3D）几何形状可以提供对热和电传输的额外控制，有可能提高设备性能，使其超越长方体腿所能达到的性能。”
2020 年，乔治华盛顿大学 Saniya LeBlanc 教授领导的研究团队发表了一篇论文，通过一系列模拟，探讨了半导体支柱对热电发电机热电性能的影响。但非长方体支柱的潜力尚未在实验环境中进行评估。
Son 解释说：“我们小组一直致力于热电材料和设备的 3D 打印，这将使我们能够实现传统制造工艺无法实现的热电材料复杂几何形状，并研究它们对发电性能的影响。”
作为研究的一部分，Son 及其同事使用 3D 有限元模型模拟来设计半导体支柱的非长方体几何形状。然后，他们使用 3D 打印技术制作这些几何设计，并通过实验评估其性能。
Son 表示： “我们选择 Cu 2 Se 作为模型材料，是因为它在高温下具有很高的材料效率。我们对八种不同的几何形状（包括长方体和非长方体）进行了数值模拟，以评估各种工作条件下的发电情况。”
“通过添加额外的 Se82- 多聚阴离子，我们可以 3D 打印基于 Cu2Se 颗粒的胶体墨水，从而创建设计的Cu2Se几何形状，并在单腿设备中比较评估它们的发电性能。”
该研究团队进行的实验产生了有趣的结果，凸显了一些非立方体支柱比其他支柱更具潜力。具体来说，该团队观察到，无论是在输出功率还是效率方面，沙漏形支柱的发电量最高。
Son 表示：“这显然是首次展示 3D 几何结构的影响。我们还发现，受控液相烧结可形成高密度堆垛层错缺陷，并由此产生位错。这些缺陷降低了 Cu 2 Se 的热导率，从而将 ZT 值提高至 2.0。”
Son 及其同事最近的研究证实，热电材料的 3D 几何形状对其产生的电流有显著影响。虽然他们专门使用这种策略来设计基于 Cu 2 Se 的材料，但未来它可以应用于其他类型的热电材料，使研究人员能够在不改变热电发电机固有特性的情况下提高其性能。
Son 补充道：“在我们即将开展的研究中，我们将把非长方体几何形状应用于不同的热电系统，例如分段设备和珀尔帖冷却模块。此外，将结构设计工具与热电材料相结合可以进一步提高设备的性能和耐用性。”
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