摘 要

热电材料是一种能够实现电能和热能相互转换的功能材料，因其在环保和能源利用方面的巨大应用前景受到科研人员的关注。半导体Bi₂O₂Se拥有层状结构，作为一种N型热电材料具有巨大潜力。本课题通过对Bi₂O₂Se在水溶液中进行高速剪切，并在剪切过程中加入微量P型热电材料Cu₂Se或SnSe对Bi₂O₂Se进行Se位复合，后通过放电等离子烧结（SPS）实现快速致密化。对其各项性能进行测试，研究不同元素及不同比例复合对其电输运性能和热传导性能的影响。

1、分别用0.5%、1.0%和1.5%的Cu₂Se对Bi₂O₂Se进行微量的复合，复合后的样品其赛贝克系数随复合比例增加逐渐增加，其功率因子在1.0%的复合量585.2K时达到了0.52。Cu₂Se复合样品的电输运性能得到了改善。

2、分别用0.5%、1.0%和1.5%的SnSe对Bi₂O₂Se进行微量的复合，复合后的样品其电导随着复合比例的增加逐渐降低，而赛贝克系数则随之增加，其功率因子在1.0%的复合量587.6K时达到了0.58，而同等温度下未复合的Bi₂O₂Se功率因子只有0.47。而复合后的Bi₂O₂Se样品热导率也随复合比例增加逐渐降低。总体而言，SnSe复合后样品电输运性能和热传导性能都得到了改善，其热电性能得到了很大的改善。

关键词：热电材料 复合 层状Bi₂O₂Se

Abstract

Thermoelectric material is a kind of functional material which can realize the mutual conversion of electric energy and thermal energy.The semiconductor Bi₂O₂Se has a layered structure and has great potential as an n-type thermoelectric material.In this study, Bi₂O₂Se was cut at high speed in aqueous solution, and a trace amount of p-type thermoelectric material Cu₂Se or SnSe was added in the cutting process to conduct Se potential recombination of Bi₂O₂Se. After that, rapid densification was achieved through discharge plasma sintering (SPS).The effects of different elements and different proportions on its electrical transport and heat conduction were studied.

1. Bi₂O₂Se was slightly compounded with 0.5%, 1.0% and 1.5% Cu₂Se, respectively. The seebeck coefficient of the composite sample increased gradually with the increase of the composite ratio, and its power factor reached 0.52 at the 1.0% composite amount of 585.2k.The electrical transport performance of Cu₂Se composite sample was improved.

2. Microcomposite of Bi₂O₂Se was conducted with 0.5%, 1.0% and 1.5% SnSe, respectively. The conductance of the composite sample decreased gradually with the increase of composite ratio, while seebeck coefficient increased accordingly.The thermal conductivity of Bi₂O₂Se samples also decreases with the increase of composite ratio.In general, the electrical transport performance and heat conduction performance of SnSe composite samples have been improved, and its thermoelectric performance has been greatly improved.

Key Words: Thermoelectric composite layered Bi₂O₂Se

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2热电材料概况 1

1.3 Bi₂O₂Se材料的研究现状 2

1.4 Cu₂Se的研究 3

1.5 SnSe的研究 3

1.6 课题的内容和意义 4

第二章 实验方法与操作过程 5

2.1 实验原料及仪器 5

2.2 样品制备 6

2.2.1 Bi₂O₂Se的制备 6

2.2.2 Cu₂Se的制备 7

2.2.3 SnSe的制备 8

2.3 样品合成 9

2.3.1 本证Bi₂O₂Se（水溶液剪切1h） 9

2.3.2 Cu₂Se复合 11

2.3.3 SnSe复合 14

第三章 实验结果与分析 20

3.1 Cu₂Se复合样品 20

3.1.1 XRD分析 20

3.1.2 电输运性能 20

3.2 SnSe复合样品 23

3.2.1 XRD分析 23

3.2.2 电输运性能 23

3.2.3 热传导性能 26

第四章 结论与展望 27

4.1 结论 27

4.2 展望 27

参考文献 29

致 谢 32

第一章 绪论

1.1引言

随着环境问题的日益加重，以及国家节能环保标准的日趋提高，寻找和开发环境友好型、可再生新型能源及能源转换技术已经成为广大科研工作者的共识与目标。热电材料是利用固体内部载流子移动来实现电能和热能之间相互转化的一种功能材料。热电材料可应用于温差发电、热电制冷和恒温制冷等领域，利用热电材料可以制成具有无机械部件、无噪声、无振动等优点的元件，这些元件工作时也不需要冷媒介质，而且可以制成各种形状和大小，所以不会对环境造成污染。现在，热电材料已经被应用于航天、军事、微电等高科技领域，工业废热、垃圾焚烧、汽车尾气废热等分散性热源的热电回收利用和热电制冷领域也有广泛应用。除此之外，利用热电材料还可以制备出微型元件，可用于制备微型电源、微区冷却和红外传感器等方面。因此，热电材料具有广阔的应用前景^[1]。

1.2热电材料概况

热电材料的可逆热电效应包括赛贝克效应、佩尔捷效应和汤姆逊效应。赛贝克效应是指由于两种不同半导体温度差引起电压差的现象，将热能转化为电能，可用于温差发电。佩尔捷效应则与之相反，是指当两种不同半导体想接触并通过电流时，产生吸热或放热的现象，将电能转化为热能，可以制造热电制冷机。汤姆逊效应是一种二级效应，若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换，当电流流过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生，称为汤姆逊效应。

热电材料的性能一般用无量纲的热电优值ZT来描述，ZT=S²σT/λ，其中S为热电材料的泽贝克系数（温差电动势率），σ为电导率，T为绝对温度，λ为热导率。从公式中可以看出优良的热电材料需要同时具备高的赛贝克系数、电导率和低的热导率，然而这些物理参数之间相互关联，我们很难通过调节某一参数来提高材料热电性能。

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