بهبود بازده تبديل انرژي حالت جامد با استفاده از نانوساختارهاي ترموالكتريك

Improving the Efficiency of the Solid-state Energy Conversion by Means of Thermoelectric Nanostructures

فناوری‌های تبدیل انرژی حالت جامد مانند سرماسازی و تولید توان ترموالكتریك، نیازمند موادی است كه دارای رسانایی حرارتی پایین و در عین حال رسانایی الكتریكی و ضریب سیبك بالا باشند. با اینكه نیمه‌رساناها بهترین مواد ترموالكتریك هستند، ولی در نیمه‌رساناهای معمولی به‌ندرت این ویژگی‌ها یافت می‌شود. نانوساختارها از قبیل ابرشبكه‌ها، تارهای كوانتومی و نقطه‌های كوانتومی روش‌های جدیدی را برای بهبود بازده تبدیل انرژی حالت جامد از طریق مهندسی انتقال الكترون و فونون فراهم می‌كنند. در این تحقیق، یك ابر شبكۀ نیمه‌رسانا متشكل از نانولایه‌های متناوب سیلیكون و ژرمانیوم بررسی شده است. انتقال حرارت رسانایی در این نانوساختار با توجه به اثرات مقیاس نانو، از قانون فوریه پیروی نمی‌كند. معادلۀ انتقال تشعشعی فونون‌ها به‌صورت عددی حل شده است و در نهایت كاهش ضریب رسانایی حرارتی نسبت به ساختار مشابه با ابعاد معمولی نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد كه با ثابت نگه داشتن نسبت ضخامت لایه‌ها، هرچه ضخامت لایه‌ها در ابرشبكه كوچك‌تر شود، پرش دما در فصول مشترك بیشتر شده و در نتیجه ضریب رسانایی حرارتی مؤثر كاهش بیشتری می‌یابد كه در نهایت به بهبود خواص ترموالكتریك می‌انجامد. نتایج نشان می‌دهد كه ضریب رسانایی حرارتی مؤثر تابعی از دانسیتۀ مرزهای مشترك بر واحد طول ابرشبكه است.

Solid-state energy conversion technologies such as thermoelectric refrigeration and power generation require materials with low thermal conductivity yet high electrical conductivity and Seebeck coefficiency. Although semiconductors are the best thermoelectric materials, they rarely have the such features. Nanostructures such as superlattices, quantum wires, and quantum dots provide novel methods to improve the solid-state energy conversion efficiency through electron and phonon transport engineering. In this research, a semiconducting superlattice, consisting of periodic nano layers of silicon and germanium, has been studied. Due to nano scale effects, conductive heat transfer does not satisfy Fourierʹs law of thermal conduction. The equation of phonon radiative transfer has been solved numerically. The results show that the thermal conductivity of the nano structure is much lower than the macro structures with the same aspect ratio. It is also noticed that with the constancy in the ratio of layers’ thickness, further reduction in layers’ thickness leads to more temperature jump at interfaces and consequently further reduction in effective thermal conductivity which finally improves the thermoelectric properties. The findings show that the effective thermal conductivity depends on the density of interfaces per unit length.