纳米结构热电系统热力学性能特征与优化理论

As the recent world's energy is more and more scarce,the important problem one concerns is how to fully utilize the low-grade heat energy and solar energy.The thermoelectric device can directly convert heat energy into power energy. The nano-thermoelectric devices have potential advantages. Thus, it is the key problem of this project how to enhance the thermoelectric efficiency of nano-thermoelectric systems (or devices). In this project, appling the electron transport theory, quantum master equation, stochastic thermodynamic theory, irreversible and nonequilibrium thermodynamics and finite-time thermodynamics to the thermal transport processes originated from the electron transport, we will mainly study the thermodynamic performance characteristics and the optimal performance of the nano-thermoelectric systems by theoritical analysis and numerical simulation. The major issues we concretely analyze are (1) what the possible sources of irreversibility, (2) whether the irreversibility can be suppressed such that the efficiency approaches that of a Carnot cycle, (3) how the irreversibility and the contruct or external control parameters of the systems affect thermodynamic performance characteristics of the nano-thermoelectric systems, and (4) what the operation model of the systems, and how one can obtain the more actual bounds of the efficiency. The results obtained the project can provide some theoretical guidelines for the development and the utilization of practical nano-thermoelectric devices and setups.

在当今世界能源越来越稀缺的情况下，如何充分利用低品位热能和太阳热能成为人们普遍关心的问题。利用热电器件能够直接将热能转换成电能，而纳米结构热电器件有潜在的优势。那么，如何提高纳米结构热电系统（或器件）热电转换的效率是本项目的核心问题。我们将把电子输运理论、量子主方程、随机热力学理论、不可逆（非平衡）热力学、有限时间热力学应用于电子输运所伴随的热传输过程，将理论分析和数值模拟相结合，主要研究纳米结构热电系统的热力学性能特征及优化性能。并具体分析（1）可能的不可逆因素是什么？（2）如何拟制不可逆因素，使之能接近卡诺效率，（3）分析这些不可逆因素以及系统结构参数或外控制参数如何影响纳米热电系统的热力学性能特征？（4）其优化运行模式是怎样的，以及如何获得更实际的效率界限？本项目研究结果将对纳米结构热电器件及装置的开发和利用提供理论指导。

本项目属于不可逆热力学、非平衡统计物理和凝聚态理论交叉融合的研究项目，是当前热力学统计物理研究领域的前沿热点问题之一。如何充分利用微小范围热能和太阳热能，提高纳米结构热电器件热电转换的效率是本项目的核心问题。我们把电子输运理论、主方程、量子热力学理论、随机热力学理论、不可逆热力学、有限时间热力学等应用于热电传输过程和量子循环过程，将理论分析和数值模拟相结合，主要研究了量子点热电器件、共振隧穿型热电器件的热力学性能特征及优化性能；以及二能级原子系统奥托制冷机、太阳能驱动四能级量子吸收式制冷机、耦合谐振子量子奥托热机等量子循环的热力学性能。.具体如下：（1）光驱动量子点热电制冷机、两能级量子点电子热机、混合驱动量子点制冷机等模型的热力学性能，分析了电子之间库仑相互作用、耦合强度及外磁场等不可逆因素对性能的影响，揭示了热电器件中热流与电流传输的物理机制，确定了最优的工作区间；（2）洛伦兹型透射几率的共振隧穿热电热机和制冷机、理想共振隧穿三端热电热机和制冷机等模型的热力学性能特征，分析了共振能级位置、能级宽度及热漏等不可逆因素对性能的影响；（3）二能级原子系统奥托制冷机循环，获得在最大品质因子条件下制冷系数的上限；（4）耦合谐振子量子奥托热机循环，获得在最大输出功率下效率的上限。本项目取得了一系列新颖的结果，对纳米热电器件或纳米热器件的开发和利用提供理论指导。本项目研究已在国内外学术期刊发表论文23篇，其中被SCI收录14篇，被EI收录3篇。