功能梯度材料中热电制冷性能的提升研究

Thermal diode effect with inhomogeneous thermal conductivity has been theoretically proposed and been experimentally observed in carbon and boron-nitride nanotubes which are mass-loaded externally and inhomogeneously with heavy molecules. We theoretically investigate the thermal diode effect on the thermoelectric cooling power with spatial dependent thermal conductivity in graded materials. We find that the dissipation of Joule heat generated in such thermoelectric devices could be inhomogeneous that is very different from the convention thermoelectric devices. Such inhomogeneity of heat dissipation could enhance the heat absorption at the cold end in cooling and therefore enhance the cooling power. The energy conversion efficiency can also be modified with a redefined thermoelectric figure-of-merit ZT. Moreover, the inhomogeneous electrical conductivity induced inhomogeneous distribution of Joule heat and inhomogeneous Seebeck coefficient induced Thomson heat would also improve the thermoelectric coolig performance. Our finding is believed to be useful for high performance of thermoelectric devices in the future.

近年来的理论研究表明，在具有空间非均匀热导率的材料中存在热二极管效应，即材料导热能力与热流的方向有关。这一效应在沉积了非均匀重分子的碳纳米管和氮化硼纳米管中已经被实验观测到了。在本项目中，申请人将研究在热导率随位置变化的梯度材料中，热二极管效应对热电制冷功率的影响。申请人发现在这种材料中，热电器件中电流产生的焦耳热的耗散是非均匀的，这和普通热电器件有很大区别。这一非均匀的热耗散现象会使得器件冷端的吸热增加，从而提高热电制冷器件中的制冷功率。此外，描述热电能量转换效率的热电优值ZT的定义需要做修正。由此展开，随位置变化的非均匀电导率会产生焦耳热的分布不均，随位置变化的非均匀赛贝克系数引入的姆森热都可能提升器件的制冷效率。我们将研究采用何种输运系数的组合能使热电器件的制冷性能得到提升

本项目按照研究计划，通过三年的研究，目前已完成了空间非均匀的热导率、电导率以及赛贝克系数对功能梯度热电材料热电性能影响的理论研究。通过对内部物理过程的理论分析，推导得出了材料的性能参数随可变参量的解析表达式，修正了以往研究上的不足。结合数值模拟的方法，验证了在功能梯度材料中，非均匀的热导率和电导率会使得热电器件在电流通过时所产生的焦耳热发生重新分布。通过调控材料内部的热导率和电导率，可以有效的提高热电器件的制冷性能，也从理论的角度证明了非均匀的热导率可以实现热二极管效应。同时，将随位置变化的载流子浓度引入我们的模型中，进一步完善了功能梯度材料的研究体系，得到了最佳的掺杂载流子浓度范围。本项目的研究结果揭示了功能梯度热电材料的潜在应用价值，对于新型高性能热电材料的开发具有指导意义。