CoSb3基多段结构宽温域热电器件中异质界面特性及其服役行为研究

Segmented thermoelectric (TE) devices have high conversion efficiency, which can be used in wide temperature range. During serving at high temperature and big temperature difference, the properties of the interfaces between different TE materials, TE materials and electrode will decreased, which lead to the failure of the TE devices. There are several important problems must be solved before segmented TE device could be used, including the characteristics of the interfaces under service conditions, the TE device behaviors and its failure mechanism during service life. This project will focus on the formation and diffusion behaviors of the interface between different TE materials, TE materials and electrode during service. The microstructures, thermal and electrical resistivities for these interfaces during different service conditions will be investigated for reveal the stabilities of the devices. The mass transfer mechanism of the interfaces for segmented TE device during service will be studied. In the end, the project will clarify the service behaviors and failure mechanism for segmented CoSb3-based TE devices.

宽温域热电器件中不同温区热电材料沿温度梯度方向组合使用，能够实现整个温区能量转换效率的最大化。宽温域器件使用温度更高，温差更大，多种不同类型的热电材料之间、以及材料与电极之间的异质界面在苛刻的外场作用下，由于热膨胀系数差异、电学和热学特性差异、元素扩散等诱发的界面特性变化将引发热电器件性能衰减、甚至导致器件功能性或结构性失效。本项目拟开展高温、大温差及冷热交变作用下器件中异质界面特性的研究，着重解析不同服役条件下界面微结构、化学成分、界面电阻等特性的演变规律，阐明宽温域热电器件失效机制并建立全寿命周期内的器件性能预测方法。在此基础上，突破多段结构宽温域热电器件设计方法和集成制造技术，获得服役温度达700摄氏度、温差达600摄氏度、转换效率大于12%的高效率热电器件。本项目的研究结果将为高效率热电发电器件开发提供新的技术途径，加速推进热电发电技术的工业化应用。

宽温域热电器件中不同温区热电材料沿温度梯度方向组合使用，能够实现整个温区能量转换效率的最大化。由于器件使用温度更高，温差更大，多种不同类型的热电材料之间物理和化学特性差异大，造成多段结构器件的设计与集成制造难度大。同时，异质界面在外场作用下，由于热膨胀系数差异、电学和热学特性差异、元素扩散等诱发的界面特性变化将引发热电器件性能衰减，导致器件功能性或结构性失效。本项目基于有限元方法建立了全参数热电器件模型，以热电材料性能、器件结构参数、边界条件为设计输入，建立热电器件输出性能与结构参数和边界条件的定量关系。同时，发展了多段结构宽温域热电器件的集成制造技术，实现了复杂结构热电器件的优化设计和性能提升，设计研制的半赫斯勒/碲化铋器件服役温度达740℃，在698℃温差下转换效率达12.4%。采用加速老化试验解析了服役条件下界面微结构和电性能的演变规律，基于扩散动力学建立了界面扩散层厚度、接触电阻率与服役温度和时间的定量关系。根据界面结构失效和接触电阻率的演化规律对界面寿命进行了预测。基于高通量策略，建立了热电器件中异质界面扩散阻挡层的快速筛选方法，实现了CoSb3基方钴矿等器件异质界面扩散阻挡层的优化设计，提升了器件的可靠性。本项目的研究结果为高效率热电发电器件开发提供新的技术途径。