АНАЛИЗ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ НА БАЗЕ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЛЬТЬЕ

АННОТАЦИЯ

В связи с возникновением мировой тенденции к проектированию двигательных установок космических аппаратов для лунных и марсианских миссий на низкокипящих (криогенных) компонентах топлива появляется потребность в разработке современных высокопроизводительных систем поддержания температурного режима в баках. Снижение массы систем термостатирования элементов ракет-носителей и космических аппаратов возможно за счёт их проектирования на базе элементов Пельтье. Для повышения эффективности их работы, выражающейся в холодопроизводительности, необходим комплексный анализ свойств пар термоэлектрических материалов. Одной из важнейших характеристик полупроводниковых материалов, используемых при производстве термоэлектриков, является добротность Z, зависящая от структуры и плотности кристаллической решётки материала.

ABSTRACT

Due to the emergence of a global trend towards the design of spacecraft propulsion systems for lunar and Martian missions using low-boiling (cryogenic) fuel components, there is a need to develop modern, high-performance temperature control systems for the tanks. The weight of the thermostating systems for launch vehicles and spacecraft can be reduced by designing them using Peltier elements. To improve the efficiency of their operation, expressed in terms of cold capacity, a comprehensive analysis of the properties of pairs of thermoelectric materials is required. One of the most important characteristics of semiconductor materials used in the production of thermoelectrics is the quality factor Z, which depends on the structure and density of the material's crystal lattice.

Ключевые слова: система термостатирования, элементы Пельтье, термоэлектрические материалы, p‑n переход, добротность полупроводникового вещества.

Keywords: thermostatic system, Peltier elements, thermoelectric materials, p-n junction, quality factor of semiconductor material.

Введение

В настоящее время среди отечественных и зарубежных разработок двигательных установок космических аппаратов, предназначенных для лунных и марсианских миссий, преобладают двигательные установки, работающие на низкокипящих (криогенных) компонентах топлив, таких как жидкий кислород, водород, сжиженный природный газ. Однако криогенные баки подобных космических аппаратов требуют поддержания специальных условий температурного режима, в общем случае не обеспечиваемых пассивными средствами сохранения температуры: теплоизоляционными материалами баков, теплопроводящими рёбрами и пр.

В данной статье предлагается реализовать систему термостатирования на базе элементов Пельтье – термоэлектрических модулей, вырабатывающих холод посредством p - n перехода. Такая система отвечала бы требованием минимальной массы и габаритов, что очень важно при использовании на космических аппаратах.

Определение метода достижения теплофизических характеристик полупроводниковых материалов для термоэлектрического модуля

Для достижения наилучших показателей холодопроизводительности при наименьших затратах электроэнергии необходимо не только разработать удачную конструкцию и энергоёмкую электрическую схему, но и оптимально подобрать материалы полупроводниковых элементов, составляющих основу термоэлектрического модуля.

Поиском решений данной задачи занимается такое перспективное направление науки как термоэлектрическое материаловедение. Рассмотрим основные требования к теплофизическим характеристикам полупроводниковых материалов и выберем оптимальную пару p – n твёрдых растворов в соответствии с рассмотренными требованиями.

Для подобранной пары необходимо определить рабочие параметры получившегося термоэлектрического модуля, а также оценить распределение температур по стенкам керамических трубок нитрида алюминия AlN.

Выбор оптимальной p – n пары твёрдых растворов

Эффект Пельтье заключается в том, что при пропускании постоянного тока через термоэлемент, состоящий из двух проводников или полупроводников, в месте контакта выделяется или поглощается некоторое количество теплоты (в зависимости от направления тока). Когда электроны переходят из материала p‑типа в материал n-типа через электрический контакт, им приходится преодолевать энергетический барьер и забирать для этого энергию у кристаллической решетки (холодный спай). Наоборот, при переходе из материала n-типа в материал p-типа электроны отдают энергию решетке (горячий спай). [1, 2, 4]

Материалы для термоэлектрических преобразователей характеризуются добротностью Z полупроводникового вещества. Чем выше Z, тем лучше свойства термоэлектрика, выше его эффективность, больше максимальное снижение температуры на спаях. Холодильный коэффициент стремится к своему максимальному значению ε_Карно при Z → . Поэтому основная задача термоэлектрического материаловедения – поиск или создание материалов с возможно более высокой добротностью. [6, 7]

Добротность материала определяется физическими свойствами вещества – электропроводностью σ, теплопроводностью k и коэффициентом термоЭДС α, связанными формулой:

В термоэлектрическом материаловедении основные усилия направлены на то, чтобы найти материал с максимально высоким значением Z.

Результаты проводимых исследований

Махан [3] систематизировал требования, которым должны удовлетворять лучшие термоэлектрики:

• Быть многовалентными. Как минимум необходима 4-валентная связь.
• Иметь высокую подвижность электронов или дырок (μ > 1000 см2/с).
• Иметь высокую плотность (для достижения максимально возможного значения В - фактора).
• Обладать низкой теплопроводностью. Теплопроводность кристаллической решетки должна находиться в пределах от 0,5 до 1,0 Вт/м К.

Исследования по созданию и поиску материалов с высокой добротностью ведутся в последнее время по трем направлениям [5, 8-12]:

1. Создание функционально неоднородных материалов, то есть материалов, в которых целенаправленно формируется пространственная неоднородность для увеличения их добротности.

2. Исследование скуттерудитов – материалов со структурой минерала CoAs₃. В частности, изучение CoAs₃, RbAs₃, CoSb₃, RhSb₃ и IrSb₃ показало перспективность использования их в качестве термоэлектриков.

3. Исследование сверхрешеток с квантовыми ямами (Quantum-Well Superlattice - QWSL) дало очень важные результаты. Понятие “квантовая яма” используется для обозначения области термоэлектрика, в которой средняя потенциальная энергия носителей заряда ниже, чем вне её. Создавая чередование квантовых ям (например, путем послойного напыления материала), можно образовать периодическую структуру QWSL. В таких структурах наблюдается существенное возрастание термоэлектрической добротности.

Определенные успехи были достигнуты в последние годы по всем трем направлениям. Но наибольший – получен в исследовании QWSL-структур, в которых удалось добиться увеличения термоэлектрической добротности сразу в 3–6 раз по сравнению с исходными материалами. Энергетический спектр электронов в квантовых ямах отличается от спектра в объеме полупроводника. Эти результаты получены в лабораториях разных стран и успешно воспроизводятся. Такой огромный успех в создании новых материалов можно сравнить разве что с открытием высокотемпературных сверхпроводников.

Наиболее перспективными и распространёнными материалами в данный момент являются полупроводники на основе теллурида висмута. Максимальная эффективность этих материалов при комнатной температуре составляет  для n- и p-типа.

Заключение

На основании экспериментальных данных о тепло-физических свойствах полупроводниковых материалов можно сделать вывод, что одним из ближайших к оптимальной точке в системе Bi₂Te₃ – Sb₂Te₃ растворов – p ‑ 75 мол.%, Sb₂Te₃ – 25 мол.% Bi₂Te₃. Данный раствор обладает следующими характеристиками:

- добротность материала Z – 3,1 · 10^-3 К^-1;

- коэффициент термоЭДС α – 0,2 · 10^-3 В/К;

- коэффициент электропроводности σ – 8 · 10⁴ Ом^-1· м^-1;

- требуемое напряжение источника питания U_п – 12 В

Список литературы:

1. Булат Л.П., Бузин Е.В. Термоэлектрические охлаждающие устройства: Метод. указания для студентов спец. 070200 “Техника и физика низких температур”. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2001. – 41 с.
2. Булат Л.П., Ведерников М.В., Вялов А.П. и др. Термоэлектрическое охлаждение: Текст лекций / Под общ. ред. Л.П. Булата. - СПб.: СПбГУНиПТ, 2002. - 147 с
3. G.D. Mahan. Good Thermoelectrics// Solid State Physics. 1998. Vol. 51, pp. 81–157.
4. Таранова Л. В. Т 19 Теплообменные аппараты и методы их расчета: учебное пособие / Л. В. 35. – 2-е изд., перераб. и доп. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2012. – 198 с.
5. Воронин А.И. Физические основы получения анизотропных твёрдых растворов халькогенидов висмута и сурьмы модифицированным методом бриджмена и формирования термоэлементов на их основе. Диссертация. 171 с.
6. Булат Л.П. Твердотельные охлаждающие системы. Журнал «Наука и техника» – 8 с.
7. Парфенов В.В., Закиров Р.Х. Физика полупроводников (элементы теории, руководство и задания к лабораторным работам). Учебнометодическое пособие для студентов физического факультета. Казань. 2001.
8. MacDonald, D.K.C. (1962): Thermoelectricity. An Introduction to the Principles. Wiley, New York.
9. Dugdale, J.S. (1977): The electrical Properties of Metals and Alloys. Edward Arnold, London.
10. Jäckle, J. (1998): Über die Ursache der Thermospannung. Fakultät für Physik, Universität Konstanz.
11. Д. т. н. В. С. Кийко, В. Я. Вайспапир Технологические особенности получения и свойства керамических изделий из смеси низко- и высокообожженного порошков ВеО. Журнал «Научные исследования и разработки», – 4 с.
12. Мостовщиков А.В. Синтез нитрида алюминия при горении нанопорошка алюминия в режиме теплового взрыва в воздухе при действии магнитного и электрического полей. Автореферат – Томск: 2014. – 22 с.