Thermoelectric converter based on Bi2Te3 functionally graded materials

Abstract

Celem tej pracy jest opracowanie nowego typu konwertera termoelektrycznego na bazie stopów Bi2Te3, z zastosowaniem funkcjonalnie gradowanych materiałów oraz jednoetapowej techniki spiekania. Poprawa sprawności konwersji energii została osiągnięta poprzez warstwową strukturę opracowanego konwertera, a jednoetapowa technika spiekania umożliwiła podniesienie temperatury gorącego złącza do 675 K. Parametry wydajnościowe opracowanego konwertera stopniowego oszacowano metodą elementów skończonych. Maksymalną obliczoną wartość sprawności konwertera uzyskano na poziomie 10.1% w zakresie temperatur pracy 300-675 K. Jednak zmierzona sprawność była nieco niższa, osiągając wartość maksymalną 8.5%. Zaobserwowana rozbieżność wynikała z wpływu rezystancji elektrycznej na złączach metal/termoelektryk oraz strat ciepła podczas pomiaru przepływu ciepła. Pomimo zaobserwowanych strat, osiągnięta eksperymentalna wartość sprawności konwersji energii jest co najmniej 1.4 razy wyższa niż wydajność komercyjnych modułów termoelektrycznych opartych na jednorodnych materiałach Bi2Te3. Wskazuje to, że jednoczesne zastosowanie koncepcji stopniowanych elementów termoelektrycznych i jednoetapowej techniki formowania stanowi efektywne narzędzie do poprawy sprawności konwersji energii w urządzeniach termoelektrycznych.

This thesis aims to develop a new type of thermoelectric energy converter based on Bi2Te3 alloys using functionally graded materials and a single-step sintering fabrication technique. The improvement in energy conversion efficiency was achieved through the stepwise design of the developed converter, while a single-step sintering technique guaranteed an increase in the hot junction temperature of up to 675 K. The energy parameters of the developed stepwise converter were estimated by the finite element method. The maximum calculated value of the converter efficiency was obtained at 10.1% over the operating temperature range of300- 675 K. However, the measured efficiency was somewhat lower, peaking at 8.5%. The observed discrepancy was caused by the influence of the contact resistances at the metal/thermoelectric junctions and the heat losses during the heat flow measurement. Nevertheless, despite the observed loss, the achieved value of the energy conversion efficiency is already at least 1.4 times higher than the performance of commercially available thermoelectric modules based on homogeneous Bi2Te3 materials. This indicates that the simultaneous application of the functionally graded approach and a single-step sintering technique represents a powerful tool for the improving the energy conversion efficiency of thermoelectric devices.