캐스케이드 안전한 바카라 사이트 전환 모듈로 12% 효율성을 달성

국립 연구 개발 기관, 국가 선진 산업 과학 및 기술 연구소 [Nakabachi Ryoji의 회장] 에너지 절약 연구 부서 [) 에너지 절약 연구 부서 [Takemura Fumio, 연구 부서, 연구 부서] 안전한 바카라 사이트 전환 그룹, Ota Michihiro, Judor Juni, 연구원, Yamamoto, 박사자, 연구 부서, Jude Priyani 님, 연구 부서 (PBTE)안전한 바카라 사이트 변환 재료소결 바디는 게르마늄 (GE)과 함께 첨가되어 나노 미터 크기의 구조 (나노 구조)를 형성하고;공로의 안전한 바카라 사이트 전기 그림ZT매우 높은 값 19로 개선되었습니다 또한,이 나노 구조를 형성하는 안전한 바카라 사이트 전환 물질이 사용된다캐스케이드 유형 안전한 바카라 사이트 전환 모듈| 전환 효율을 향상시키기 위해 생산되었으며, 나노 구조가없는 PBTE가 12%까지 사용될 때 약 75%였다

이번에는 Canatisidis Mercure 교수 (및 미국 Argonne National Laboratory의 최고 연구원과 PBTE 안전한 바카라 사이트 전환 재료에 GE에 PBTE 안전한 바카라 사이트 전환 재료를 추가했습니다용융 및 응고 과정8910_8939 |, 비싸다ZT실현되었습니다 또한 안전한 바카라 사이트 전환 재료와 전극 사이의 우수한 열 및 전기 결합을 제공합니다확산 방지 계층를 개발함으로써 우수한 재료 성능을 반영하는 높은 변환 효율로 캐스케이드 안전한 바카라 사이트 전환 모듈의 작동을 확인했습니다 나노 구조의 형성을 통해 개선 된 재료 성능의 시연과 다양한 모듈 구성을 통해 고효율을 달성 한 일련의 개발은 안전한 바카라 사이트 전환을 사용하여 폐 열 발생의 사용을 다각화하는 데 기여할 것입니다

이 기술의 세부 사항은 2018 년 5 월 21 일 (현지 시간)에 제공 될 예정입니다셀 프레스| 아카데믹 페이퍼Joule에 게시

나노 구조의 형성에 의해 재료에 대한 공로의 안전한 바카라 사이트 전기 수치가 크게 감소합니다ZT모듈의 전환 효율이 크게 향상됩니다

대부분의 1 차 에너지는 사용되지 않으며 사용하지 않는 열 에너지로 폐기됩니다 사용하지 않는 열 에너지의 효과적인 사용은 에너지 절약 및 공동입니다₂그것은 배출 감소의 중요한 기둥이며, 전기로서 회복에 대한 수요가 특히 많다 따라서 열 에너지를 전기로 직접 변환 할 수있는 안전한 바카라 사이트 전환 기술에 대한 높은 희망이 있습니다

안전한 바카라 사이트 전환 기술 개발에서 안전한 바카라 사이트 전기 그림 (ZT)는 개선되었지만 모듈 형성 기술이 필요한 모듈 개발에서 중요한 결과가 달성되지 않았지만, 모듈로 높은 변환 효율이 달성되지 않았기 때문에 안전한 바카라 사이트 전환 기술의 응용 분야는 공간 개발과 같은 일부 분야로 제한되었습니다 광범위한 필드에 안전한 바카라 사이트 전환 기술을 적용하려면 모듈화 기술의 큰 발전이 필요합니다

AIST는 재료에서 모듈 개발 및 이에 대한 평가 기술에 이르기까지 안전한 바카라 사이트 전환과 관련된 광범위한 연구 개발을 수행하고 있습니다 지금까지, 마그네슘 (mg)은 PBTE 소결 체에 추가되어 나노 구조를 형성하고;ZT를 개선하는 데 성공했습니다 10에서 18 (550 ° C)까지, 이는 나노 구조가 형성되지 않은 값입니다 또한,이 나노 구조를 형성하는 안전한 바카라 사이트 전환 물질이 사용된다세그먼트 유형 안전한 바카라 사이트 전환 모듈11% (고온 측에서 600 ° C, 저온 측에서 10 ° C)의 전환 효율을 달성하기 위해 개발되었습니다AIST : 11%의 변환 효율로 바카라 커뮤니티 전환 모듈) 이러한 결과를 고려하여 이번에는 새로운 나노 구조를 형성하고 새로운 고효율 모듈을 개발하는 것을 목표로했습니다

또한, 현재의 재료 개발은 NEDO (New Energy and Industry and Industry 및 Development) 프로젝트를위한 국가 연구 개발기구 (NEDO) 프로젝트, "사용하지 않는 열 에너지의 혁신적인 활용을위한 연구 및 개발 (FY2015에서 FY2018까지)에 의해 지원되었으며, 2017 년 FY2017에서 혁신적인 열 에너지를 사용하는 연구 연관성의 일환으로 수행되었습니다 이 모듈 개발은 경제, 무역 및 산업의 시운전 프로젝트, "혁신적인 에너지 기술을위한 국제 공동 연구 개발 프로젝트 비용"(2015 ~ 2018)의 지원을 받았습니다

안전한 바카라 사이트 전환 재료에서 열 에너지를 전기로 효율적으로 변환하기 위해서는 전류가 유량을 흐르도록하기 위해서는 전기 저항력이 낮아야합니다 또한 온도 차이가 전기를 생성하는 데 사용되므로 온도 차이를 유지하려면 안전한 바카라 사이트도율이 낮아야합니다 이전의 연구에 따르면 높은 전류가 흐르지 않고 쉽게 열이 흐르지 않는 나노 구조의 형성은 성능을 향상시키는 데 효과적입니다ZT20에 접근하고 있습니다 지금까지 MG와 같은 알칼리성 지구 금속은 종종 PBTE 안전한 바카라 사이트 전환 물질에서 나노 구조를 형성하는 데 사용되었지만 알칼리성 지구 금속은 공기 중에 불안정하고 다루기가 어렵습니다

이번에 사용P 유형| PBTE의 경우,수용자로 첨가됩니다 알칼리성 지구 금속보다 공기가 더 안정적 인 GE의 07%를 추가 하여이 P 형 PBTE (화학 조성물은 PB_0.953NA_0.040ge_0.007te), 그림 1 (a) 및 (b)에 도시 된 바와 같이, 세계에서 약 5 nm 내지 300 nm의 나노 구조가 형성됨을 보여준 것은 세계 최초의 것이었다 그림 1 (b)는 조성 분포를 보여 주며,이 나노 구조에는 GE와 소량의 NA가 포함되어 있음을 보여줍니다 즉, GE의 첨가는 나노 구조의 형성을 유도하는 것으로 여겨진다 이 나노 구조는 알칼리성 지구 금속을 사용하여 형성된 나노 구조와 유사하게 전류를 통과하는 특성을 갖는다ZT530 ° C에서 매우 높은 값 19에 도달했습니다 (그림 1 (c))

그림 1 (a) 새로 개발 된 PBTE 안전한 바카라 사이트 전환 물질의 나노 구조 (그림의 빨간색 화살표), (b) 다양한 요소 (GE, 납 (PB), NA, Tellurium (Tellurium))의 구성 분석 결과 (B) 조성 분석 결과 (나노 구조는 위의 흑인 부분에 있습니다), (C) N- 타입 장치에 사용되는 (P-Type) 및 PBTE 안전한 바카라 사이트 전환 재료ZT온도 의존성

이번에 개발 된 나노 구조를 가진 PBTE 소결 바디는 P 형 장치로 사용됩니다단일 단계 안전한 바카라 사이트 전환 모듈개발되었다 (그림 2 (a)) 여기서 우리는 지금까지 발전했습니다기증자로 요오드 라이드 (PBI₂)가 첨가 된 PBTE 소결 바디 (화학 조성물은 PBTE_0.9964i_0.0036)n 유형의 요소로 사용되었습니다 하나의 요소의 크기는 20 mm 길이 x 20 mm 너비 x 42 mm 높이이며 안전한 바카라 사이트 변환 모듈은 8 개의 PN 요소 쌍으로 구성됩니다 N- 타입 PBTE가 사용됩니다ZT의 온도 의존성 그림 1 (c)에 나와 있으며 510 ° C에서 최대 값 (13)에 도달합니다 P- 타입 및 N- 타입 장치의 확산 방지 층은 각각 철 (Fe), Fe 및 코발트 (CO)로 구성된 재료로 만들어졌다 저온면을 10 ℃에서 고정시키고, 출력 전력 및 변환 효율을 측정하기 위해 고온 측을 300 ℃에서 600 ℃로 변경 하였다 이들은 온도 차이에 따라 증가했으며, 고온 측이 600 ° C 인 경우 최대 출력 전력은 22W에 도달했으며 최대 전환 효율은 85%에 도달했습니다 (표 1)유한 요소 방법를 사용하여, 단일 단계 안전한 바카라 사이트 전환 모듈의 성능은 P- 타입 및 N- 타입 PBTE 소결 바디의 안전한 바카라 사이트 특성에 기초하여 시뮬레이션되었으며, 최대 전환 효율은 11%였다 실제 측정 전환 효율이 이보다 낮은 이유는 다양한 구성 요소 간의 인터페이스에 전기 저항과 열 손실이 존재하기 때문입니다 앞으로이를 개선함으로써 85%를 초과하는 전환 효율이 가능할 가능성이 있습니다

이시기에 개발 된 1 단계 안전한 바카라 사이트 전환 모듈에 사용되는 P 형 및 N 형 PBTE 소결 신체는 모두 300 ° C ~ 650 ° C의 온도 범위에서 높습니다ZT그러나 300 ° C 이하ZT낮아졌다 (그림 1 (c)) 따라서 약 100 ° C 온도에서 높습니다ZT전형적인 Bismuth Telluride (Bi₂TE₃) 기반 재료를 사용하여, 8 개의 PN 요소로 구성된 안전한 바카라 사이트 변환 모듈을 제조 하였다 요소 크기는 20 mm 길이 x 20 mm 너비 x 20 mm 높이입니다 이 bi₂TE₃13564_13650 | a 시스템 안전한 바카라 사이트 변환 모듈을 PBTE 안전한 바카라 사이트 전환 모듈의 저온에 배치하여 2 단계 캐스케이드 안전한 바카라 사이트 변환 모듈이 개발되었습니다 (그림 2 (b)) 전환 효율을 향상시키기 위해 BI₂TE₃시스템 안전한 바카라 사이트 변환 모듈의 고온 온도가 200 ° C가되도록 유한 요소 방법을 사용하여 두 모듈의 크기를 결정했습니다 2 단계 캐스케이드 유형을 사용함으로써, 저온에서의 효율이 개선되었고, 고온 600 ° C 및 저온 10 ° C에서 최대 출력 전력은 18W, 최대 전환 효율은 12%였다 (표 1) 요소의 전체 길이가 증가하고 전기 저항이 증가하기 때문에 최대 출력 전력은 단일 단계 모듈보다 작습니다 앞으로 최대 출력 전력 및 기타 요인이 애플리케이션에 따라 최적이되도록 모듈을 설계해야합니다

세그먼트 화 된 안전한 바카라 사이트 변환 모듈에서 이전에 개발 된 (그림 2 (c)), PBTE 요소 및 BI₂TE₃시스템 요소가 직접 결합되어 있으므로 캐스케이드 유형보다 작게 만들 수 있습니다 반면, 안전한 바카라 사이트 전환 재료 또는 다른 열 및 전기 특성을 가진 요소를 직접 결합해야하기 때문에 설계가 어렵습니다 이번에 개발 된 2 단계 캐스케이드 안전한 바카라 사이트 전환 모듈에는 더 많은 구성 요소와 더 큰 크기가 있지만, 저온 및 고온 측면에서 안전한 바카라 사이트 변환 모듈을 개별적으로 설계하고 개발할 수 있다는 이점이 있습니다 폐 열 발생에서 자동차 폐열 및 공장 폐열과 같은 다양한 폐열이 목표가되므로 대상에 따라 캐스케이드 유형 및 세그먼트 유형의 장점을 활용할 수있는 시스템을 설계해야합니다 캐스케이드 유형에서도 높은 전환 효율을 입증함으로써 안전한 바카라 사이트 전환 시스템의 설계가 증가하여 안전한 바카라 사이트 전환 기술이 다양한 폐열에 적용될 수 있습니다

그림 2 (a) PBTE를 사용한 1 단계 안전한 바카라 사이트 전환 모듈, GE 첨가에 의해 나노 구조로 형성된 1 단계 안전한 바카라 사이트 전환 모듈, (b) BI2TE3캐스케이드 안전한 바카라 사이트 변환 유형 모듈 모듈과 함께 구성된 (c) 안전한 바카라 사이트 전기 변환 유형 모듈

표 1 단일 단계 및 2 단계 캐스케이드 안전한 바카라 사이트 변환 모듈의 최대 출력 전력 및 최대 변환 효율

우리는 다양한 안전한 바카라 사이트 전환 모듈에서 나노 구조와 함께 PBTE를 사용하여 실제 응용 프로그램에 기여하는 10%이상의 높은 전환 효율을 달성했습니다 더 높은 효율을 목표로하는 동안, 우리는 장기 안정성을 계속 조사하고 데모 실험을 수행 할 것입니다 PBTE를 사용하는 모듈은 높은 변환 효율이 필요한 필드에서 사용하기에 적합합니다 또한 향후 시장 확장을 향한 시선을 돌면서 구리 (Cu) 등과 함께 사용하도록 제한되는 PB를 대체하기위한 대체 요소에 대한 연구를 수행하고 있습니다 (AIST의 주요 연구 결과, 2013 년 2 월 15 일,AIST : 환경에 영향을 미치는 인공 구리 황화 구리 미네랄이) 이러한 결과를 결합하여 안전한 바카라 사이트 전환 기술을 사용하여 사용하지 않는 열 에너지 사용의 경로를 열고 에너지 절약 및 CO₂배출 감소에 기여합니다

◆ 안전한 바카라 사이트 전환 재료, 확산 방지 층, 단일 단계 안전한 바카라 사이트 전환 모듈

안전한 바카라 사이트 전환 모듈에서, 충전물을 운반하는 전하 캐리어 (캐리어)가 음전하를 갖는 양전하 (구멍)이며, 음전하가있는 전자 전기 인 N- 타입 안전한 바카라 사이트기 전환 재료가 전하가있는 양전자 (홀)가있는 P- 타입 안전한 바카라 사이트기 변환 재료에서, 전기적으로 배열 된 N- 타입 안전한 바카라 사이트기 전환 재료는 전기적으로 배열되어있다 온도 차이 가이 모듈 위와 아래에서 발생하는 경우, 캐리어 인 구멍 및 전자는 고온 측에서 저온 측면으로 확산되어 전력을 얻습니다 확산 방지 층은 안전한 바카라 사이트 전환 물질과 전극 사이에 형성된다 안전한 바카라 사이트 변환 요소는 안전한 바카라 사이트 전환 물질 및 확산 방지 층입니다 그림은 한 쌍의 PN 요소가있는 단일 단계 열 변환 전기 모듈을 보여줍니다 실제 모듈은 더 많은 PN 요소 쌍으로 구성됩니다 예를 들어, 이번에 개발 된 안전한 바카라 사이트 변환 모듈은 8 개의 PN 요소 쌍으로 구성됩니다[참조로 돌아 가기]

단일 단계 안전한 바카라 사이트 전환 모듈의 개략도

◆ 공로의 안전한 바카라 사이트 전기 수치

안전한 바카라 사이트 전환 재료의 성능을 나타내는 공로의 안전한 바카라 사이트 수치ZT절대 온도입니다t, 전기 저항ρ, Seebeck 계수S, 열 전도도κZT=S²t/(ρκ)로 표현할 수 있습니다 각 장치는t[k],S[V K^-1],ρ[ω m],κ[W M^-1K^-1] 이것ZT가 클수록 안전한 바카라 사이트 변환 재료의 성능이 높아집니다 높은 시각 계수와 낮은 전기 저항력은 높은 출력 전력으로 이어집니다 또한 안전한 바카라 사이트 전환에 필요한 온도 차이를 유지하려면 낮은 안전한 바카라 사이트도율이 필요합니다[참조로 돌아 가기]

◆ 캐스케이드 유형 안전한 바카라 사이트 전환 모듈, 세그먼트 유형 안전한 바카라 사이트 전환 모듈

안전한 바카라 사이트 전환 재료의 성능은 온도 의존적입니다 따라서, 한 유형의 안전한 바카라 사이트 전환 재료를 사용하는 단일 단계 안전한 바카라 사이트 변환 모듈은 효율적인 전력 생성이 생성 될 수있는 제한된 온도 범위를 갖는다 그래서 저온에서 큽니다ZT그리고 고온에서 큰ZT를 나타내는 안전한 바카라 사이트 전환 재료를 결합하여 제조되며 넓은 온도 범위에 걸쳐 전기를 효율적으로 생성하는 데 측정됩니다 이 경우 두 가지 유형이 알려져 있습니다 단일 단계 모듈이 여러 단계 (그림 (a))에 쌓이는 캐스케이드 유형과 안전한 바카라 사이트 변환 재료 또는 요소가 여러 단계로 쌓이는 세그먼트 유형 (그림 (b))[참조로 돌아 가기]

(a) 캐스케이드 유형 및 (b) 세그먼트 유형 안전한 바카라 사이트 전환 모듈

◆ 용융 및 응고 과정

이번에는 PB, TE, GE 및 NA가 녹고 반응하고, 응고되고, 나노 구조를 형성하는 PBTE 안전한 바카라 사이트 전환 재료가 제조되었다 용융 및 응고 과정에서 온도 상승률 및 하락 속도를 제어함으로써 나노 미터 크기의 구조를 형성 하였다[참조로 돌아 가기]

◆ P 형, N- 타입, 수용자, 기증자

수용자 및 기증자는 반도체에 추가 된 불순물입니다 acceptor를 추가하면 양으로 하전 된 구멍이 가능하고 공여자를 추가하면 전하가 전하되는 캐리어로서 음으로 하전 된 전자를 반도체에 적용 할 수 있습니다 전자는 P- 타입 반도체라고하며, 후자는 N- 타입 반도체라고한다[참조로 돌아 가기]

◆ 유한 요소 방법

유한 요소 방법은 수치 솔루션 방법의 유형입니다 전체는 각 요소로 나누어 분석 한 다음 전체에 대한 근사치 세트가 결정되므로 복잡한 시스템은 비교적 간단한 분석을 사용하여 평가할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]