Energy coupling properties and optimization of thermoelectric devices

本文根据碲化铋(Bi2Te3)基半导体温差热电器(TEG)的塞贝克系数、电阻率和热导率等物性参数与工作温度之间的依赖关系, 基于传热学理论，建立考虑焦耳热、汤姆逊热和傅里叶热的一维稳态热传导方程, 研究边界条件变化时, p型与n型半导体截面积比β及p型半导体电流密度对器件热电耦合特性的影响规律, 最终获得功率密度和转换效率最优化的参数设计准则. 研究表明, p型半导体单臂的温度分布不受β影响, 而n型半导体单臂温度则随β增大而显著升高. 当β＞1时, 在相同位置或电流密度条件下, n型半导体始终表现出更高的温度. 这一现象主要归因于两种半导体在热物性参数、横截面积及电流密度方面的差异, 以及汤姆逊效应与焦耳热效应的动态竞争机制. 随着β值趋于1, n型温度分布曲线会逐渐向p型曲线趋近. 进一步研究发现, 边界条件、横截面积和电流密度通过温度分布对塞贝克系数、热导率和电导率产生显著调控作用, 从而直接影响能量转换性能. 基于电流密度和面积比β的协同优化, 建立了Dirichlet和Robin两种边界条件下的最优功率密度和转换效率的设计准则. 对比研究表明, 界面共存的热阻、电阻以及帕尔贴效应会协同增强能量传递过程的不可逆性. 这种多重效应耦合导致Robin边界条件下, 即使是同类型掺杂半导体, 其边界温度也会与热源温度产生显著偏离, 凸显了界面工程在器件优化中的重要性. 此外, 热源温度和热电单臂高度也是影响器件开路电压、短路电流密度及整体能量转换性能的关键因素, 优化这些参数可以实现器件性能的改善. 本研究建立的优化理论为TEG的性能提升提供了重要理论支撑.