研究团队开发关键n型热电半导体技术回收利用废热

Josiah02

一个研究小组开发了一种基于碲化铋 (Bi-Te) 的热电材料，该材料具有人工形成的原子级缺陷，并提出了一种改善其性能的解决方案，以利用浪费的热能。这是一项应用于热电发电机的半导体技术，通过回收工厂、汽车和船舶发动机等工业和运输部门 200℃ 以下的废热来发电。热电发电机是 p 型和 n 型半导体的组合，可逆地将温差转换为电能，反之亦然。
迄今为止，研究主要集中在改善由铋（Bi）和碲（Te）组成的p型热电材料的性能。另一方面，含硒（Se）的n型热电半导体由于难以控制成分和微观结构，性能改善缓慢，这被指出是热电技术商业化的障碍。
研究团队专注于决定热电发电机性能的n型热电半导体，取得了停滞数十年的突破。突破的关键在于掺杂材料和制造工艺。这项研究发表在ACS Applied Materials & Interfaces杂志上。
掺杂材料是添加的元素，用于改善半导体的电导率。认识到使用锑 (Sb) 作为掺杂材料的 p 型碲化铋可能实现最佳性能，该团队开发了一种 n 型材料，其中掺入了锑 (Sb) 而不是硒 (Se)，硒通常用作 n 型碲化铋的掺杂材料。
研究团队开发的主要产品（从左至右：n型热电半导体粉末材料—晶片—热电发电机）。图片来源：韩国材料科学研究所（KIMS）
该团队还开发出一种方法，在n型热电材料的制造过程中，人工诱导促进电子形成的“原子缺陷”和散射晶格声子（传热介质）传输的“位错网络”，从而提高电导率，降低热导率。该技术采用粉末冶金路线，将材料放入模具中加热，然后烧结，从而很容易制造出设计形状和尺寸的热电材料。
通过该技术开发的n型热电半导体，清晰地展现出热电器件所需的热学和电学特性，例如电导率增加一倍以上，同时热导率降低。特别是，该团队的热电技术具有出色的能量转换性能，并且易于材料组合，有望应用于回收室温下约200℃的热量，包括人体热量。
热电发电机市场正以 8.2% 的复合年增长率增长，预计到 2029 年全球市场规模将达到 11.8 亿美元。目前，该研究团队正与 LIVINGCARE 有限公司合作开发热电厂。此外，该团队还正在与现代汽车公司的蔚山工厂合作，对回收铸造模具产生的废热的发电系统进行基础研究。
领导这项研究的Kyung Tae Kim博士表示：“这项研究为解决n型热电半导体的性能控制奠定了基础，而这一直是回收200℃以下各种废热的障碍。
“其意义在于利用传统粉末冶金技术开发出原子级缺陷可控的纳米结构热电材料技术。”