热电材料与器件性能一体化表征新方法：实现单样品精准测量与"材料-模块"验证

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：A novel integrated method for characterizing the performance of thermoelectric material and device

本文提出了一种创新的热电材料性能一体化表征方法，通过单一样品即可同步测量塞贝克系数（Seebeck coefficient）、热导率（thermal conductivity）和电导率（electrical conductivity），解决了传统方法需多样品、系统误差累积等问题。自主研发的TE-X-MS测量系统在真空环境（10-3 Pa）和高温条件（1073 K）下实现材料-器件级性能表征，对Bi2Te3基材料的测试结果与传统方法偏差小于±5%，并通过转换效率达6.25%的热电发电机模块验证了方法的可靠性。

　　

章节精选

表征原理

基于何海龙等人先前提出的准稳态方法（QSS方法），我们改进了一种可直接集成表征材料参数的方法，能够在同一样品上同步测量塞贝克系数（Seebeck coefficient）、热导率（thermal conductivity）和电导率（electrical conductivity）。为获得热电材料的温度依赖性参数，我们做出以下两个假设：（1）在极小的温度区间内，材料参数可视为常数；（2）样品内部的热电效应满足一维传热模型。通过结合开路和短路条件下的电热信号响应计算，建立了基于递归方程的参数求解理论框架。

实验设计

为实现上述集成方法，本课题组设计开发了热电性能测量系统（TE-X-MS）。该系统采用模块化设计，可用于表征热电发电机（TEG）的输出性能与转换效率，以及热电制冷器的制冷温差和性能系数（COP）。如图4所示，系统由测试主机、电源与测量系统以及水冷单元等模块组成，能够提供高达1073 K的测试环境与10^-3 Pa的真空条件，并集成原位热流计与温度-电压探针以实现精准测量。

结果

本节选取本课题组研发的高性能p型和n型Bi₂Te₃基热电材料进行表征。为验证集成方法的一致性，从同一批材料中制备了三组p型和n型样品，并在300 K-500 K温度范围内与传统方法进行对比：塞贝克系数与电导率的测量结果偏差均小于±5%，热导率数据曲线高度吻合，充分证明了该方法在宽温区范围内的可靠性与精确性。

结论与讨论

总而言之，本工作提出了一种通过单一样品集成表征块体热电材料性能的创新方法。该方法基于准稳态原理，沿热传递方向以等温间隔对样品进行离散化处理，通过计算样品在开路和短路条件下的电热信号响应，结合递归方程求解材料参数。实验结果表明，该方法在Bi₂Te₃基材料表征中与传统方法偏差小于±5%，且成功通过热电发电机效率验证实现了"材料到模块"的性能闭环验证。