Термоэлектрические эффекты

Основы термоэлектричества

Термоэлектрические эффекты — явления преобразования тепловой энергии в электрическую и наоборот, обусловленные движением зарядов под действием температурного градиента.

Основные термоэлектрические эффекты:

• Сеебековский эффект: при наличии температурного перепада в проводнике или полупроводнике возникает разность потенциалов.
• Пельтье эффект: при прохождении электрического тока через границу двух материалов происходит поглощение или выделение тепла.
• Томсона эффект: тепловое излучение внутри однородного проводника при прохождении электрического тока и наличии температурного градиента.

Физика термоэлектричества в наноматериалах

В наномасштабе влияние квантовых и поверхностных эффектов меняет термоэлектрические параметры:

• Улучшение термоэлектрического коэффициента (ZT) за счет снижения теплопроводности при сохранении или увеличении электрической проводимости.
• Квантовые точки, нанопроволоки и тонкие пленки демонстрируют измененную плотность состояний, что позволяет повысить эффективность термоэлектрических преобразователей.

Ключевые параметры и их оптимизация

• Сеебековский коэффициент (S) — мера создаваемого напряжения на единицу температуры. Чем выше S, тем эффективнее преобразование тепла в электричество.
• Электрическая проводимость (σ) — высокая проводимость снижает сопротивление и потери энергии.
• Теплопроводность (κ) — чем ниже, тем меньше тепловые потери и выше эффективность.

Оптимизация параметров ведет к максимизации коэффициента термоэлектрической эффективности:

$$ ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa} $$

где T — абсолютная температура.

Наноструктурирование для улучшения термоэлектрических свойств

• Введение границ зерен и дефектов для рассеивания фононов и снижения теплопроводности.
• Гетероструктуры и слоистые материалы для управления электронным транспортом.
• Использование наночастиц для создания композитов с улучшенными термоэлектрическими характеристиками.

Применение термоэлектрических материалов

• Энергосбережение и рекуперация тепла: преобразование тепловых отходов промышленности и транспорта в электроэнергию.
• Охлаждение и климатические системы: термоэлектрические холодильники и термостаты без движущихся частей.
• Космические аппараты: автономные источники энергии за счет радиоизотопного нагрева.