半导体温差发电转换效率研究

2021年2月

No.

4

February，

2021

0 

引言

半导体温差发电利用了塞贝克效应

（

Seebeck Effect

）

直接将热能转换为电能，

在发电时无须先将热能转化为机

械能再由机械能转化为电能的间接转换过程，

整个发电装

置没有活动的机械部分，

只要半导体

PN

结两端存在温度差

就能输出电能，

具有无噪音、

维护成本低、

长寿命等优点，

逐渐受到人们的重视

[1-5]

。

通过选择合适的半导体材料种

类，

半导体温差发电单元可以在很宽的温度范围内

（

300K~ 

1 400K

）

实现热能到电能的直接转换。

但由不同半导体材料

和装置结构组成的温差发电组件，

在相同的温差场条件下

，

发电组件的输出功率、

输出电压、

输出电流、

稳定性等组件

性能参数都存在着较大差异。

因此，

优化半导体温差发电组

件，

提高温差发电组件热电转换效率，

探究如何发挥热电组

件性能有着重要的现实意义

[3-5]

。

本文将以半导体温差发电

原理为基础，

从理论上推导温差发电效率公式并分析其影

响因素，

最后进行实验探究与验证。

1 

半导体温差发电原理

塞贝克效应的实质在于两种金属或半导体材料接触时

产生了接触电势差，

半导体的接触电势差远大于金属导体，

因此温差发电的电动势单元一般采用半导体材料制成。

如图

1

所示，

半导体单元从温度为高温热源处吸热，

其中部分热

量转换为电能向负载输出，

另一部分热量向温度为低温热源

排放。

在此过程中产生的温差电动势可由

（

1

）

式确定。

∆

U

=

α

p

,

n

(

T

1

－

T

2

) 

（

1

）

其中

α

p

,

n

为由半导体材料性质所决定的相对塞贝克系

数。

高温端的吸热和低温端的放热可由

（

2

）

式描述

[3]

。

󰀞

'

󰀞

󰀞

'

󰀜

2

1

,

1

0

2

2

,

2

0

1

2

1

2

p

n

p

n

Q

IT

λ

T

I

r

Q

IT

λ

T

I

r

­

°

°

®

°

°

¯

α

α

（

2

）

基金项目：

国家级大学生创新创业训练计划项

目

；

项

目

名称：

影响半导体温差发

电输出特性的关键因素研究；

项

目

编号

：

201910649024

。

作者简介：

冯倩倩

（

1999

—

）

，

女

，

四川广

安人，

本科生；

研究方向：

半导体物理及器件

。

*通信作者：

肖

啸

（

1975

—

）

，

男

，

四川

宜宾人，

博士

，

教授；

研究方向：

微纳光子学、

光电器件

。

摘 

要：

半导体温差发

电技术无机械活动装置，

能够

直接将热能转换为电能，

具有无噪音

、

低成本等优点而受到重视。

文章从

分析半导体温差发

电原理出发，

推导

了

温差发

电效率的理论公式，

得到了

高低温热源温差和负载匹配系数对效率的影响关系

曲

线，

并以此为指导设计

了

相应的实验方案进行

了验证，

实验数据与理论分析具有相同的变化趋势

，

二者符合较好

。

关键词：

半导体；

温差发

电；

转换效率；

温差；

匹配系数

半导体温差发电转换效率研究

冯倩倩，

杨浩钦，

韩娅钟，

冷 

敏，

肖 

啸

*

（

乐山师范学院 数理学院，

四川  乐山  614000

）

其中

∆

T

=

T

1

－

T

2

,

是高低温热源温度差

,

λ

为材料的热导

率，

r

0

为发电单元内阻。

图1  半导体温差发电示意图

2    半导体温差发电效率分析

温差发电效率可由输出功率和高温热源吸热之比值定

义。

若输出负载等效电阻为

R

，

其输出功率为

I

2

R

，

则温差发

电效率为：

󰀟

'

󰀝

2

2

,

1

0

1

2

p

n

I

R

α

IT

λ

T

I

r

K

（

3

）

定义匹配系数

m

=

R

/

r

0

，

优质系数

2

,

0

/

p

n

Z

α

r

λ

,

则可将上

式改写为：

(

)

(

)

2

1

1

1

1

1

T

m

T

m

T

m

T

ZT













∆





η

=









+

∆









+

−

+









（

4

）

无线互联科技

Wireless Internet Technology