掺杂稀土让热电材料转换率提高25%

2011-2-17 09:31 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网2月16日(北京时间)报道,美国能源部阿姆斯国家实验室的科学家发现,只需在一种热电材料中掺杂1%的稀土元素铈或镱,就可将这种热电材料的转换效率提高25%。该项目负责人伊维根·列文表示:“这是科学家首次如此大幅度地提高热电转换效率。”

  热电材料是一种将热能转换成电能的功能材料,塞贝克效应(德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克于1821年发现)和帕尔特效应(法国物理学家詹纳·查尔斯·帕尔特于1834年发现)为热电能量转换和热电制冷的应用提供了理论依据。早在19世纪初,热电材料就为人们所知,目前,被人们广为接受且实际应用效果良好的一组热电材料包括碲、锑、锗和银(TAGS)。   

  阿姆斯实验室的科学家去年就观察到,在TAGS材料中增加1%稀土元素铈或镱能显著提高其转换效率。为了弄清楚为何组成成分如此小的改变会对性能产生如此大的影响,该实验室的科学家施密特·罗尔使用固态核磁共振光谱对掺杂了稀土元素的TAGS进行了研究,并于近日证实,掺杂1%的铈或镱让这种热电材料的转换效率提高了25%。列文表示:“稀土元素改变了热电材料的晶体结构,或许因此改变了其热电性能。”

  上世纪50年代,在科学家的努力下,热电转换效率取得了一定的突破,并在太空探索领域找到了用武之地。几十年来,热电材料和技术为宇宙探索提供了源源不断的动力,放射性同位素供热的热电发电器是目前唯一的供电系统,已成功用于美国国家航空航天局(NASA)发射的旅行者一号行星际探测器、先锋号探测器、伽利略号木星探测器等宇航器上。

  尽管热电材料受到NASA的青睐,但转换效率低一直让其很难应用于实际生活。如今,美国科学家在热电领域的最新进展,有望让热电材料成为更好的清洁能源,拥有更广泛的用途。新的耐用性好且相对容易制造的热电材料有望进一步扩展其应用领域,包括从工业精炼厂回收废热或使用电动汽车中排放出的热气给汽车充电等。