Thí nghiệm về điện nhiệt quang oxit

Ichiro Terasaki1, Ryuji Okazaki1, Partha Sarathi Mondal1, Yu-Chin Hsieh1
1Department of Physics, Nagoya University, Nagoya, Japan

Tóm tắt

Điện nhiệt là một công nghệ chuyển đổi năng lượng từ nhiệt thành điện, và ngược lại, thông qua các hiện tượng điện nhiệt trong chất rắn, trong khi năng lượng mặt trời là một công nghệ chuyển đổi năng lượng từ photon mặt trời thành điện bằng cách sử dụng các kích thích quang trong chất rắn. Chúng tôi đang cố gắng tìm ra một cách để kết hợp điện nhiệt với năng lượng mặt trời nhằm thiết lập một phương pháp mới để tạo ra năng lượng tái tạo với hiệu suất cao. Trong bài viết này, chúng tôi trình bày hai phương pháp cho mục đích này bằng cách sử dụng các vật liệu oxit: chuyển đổi năng lượng điện nhiệt bằng cách sử dụng các hạt mang điện được kích thích quang và phát điện điện nhiệt sử dụng ánh sáng tập trung làm nguồn nhiệt.

Từ khóa

#Điện nhiệt #Năng lượng mặt trời #Vật liệu oxit #Chuyển đổi năng lượng #Kích thích quang

Tài liệu tham khảo

TES New Energy corporation (2010). http://tes-ne.com/English/01_home_e.html Basko, D.: A photothermoelectric effect in graphene. Science 334(6056), 610–611 (2011). doi:10.1126/science.1214560 Fan, H., Singh, R., Akbarzadeh, A.: Electric power generation from thermoelectric cells using a solar dish concentrator. J. Electr. Mater. 40(5), 1311–1320 (2011). doi:10.1007/s11664-011-1625-x Flahaut, D., Mihara, T., Funahashi, R., Nabeshima, N., Lee, K., Ohta, H., Koumoto, K.: Thermoelectrical properties of A-site substituted Ca\(_{1-x}\)Re\(_x\)MnO\(_3\) system. J. Appl. Phys. 100(8), 084911 (2006). doi:10.1063/1.2362922 Fujita, K., Mochida, T., Nakamura, K.: High-temperature thermoelectric properties of Na\(_{x}\)CoO\(_{2-\delta }\) single crystals. Jpn. J. Appl. Phys. 40(Part 1, No. 7), 4644–4647 (2001). doi:10.7567/JJAP.40.4644 Funahashi, R., Shikano, M.: Bi\(_{2}\)Sr\(_{2}\)Co\(_{2}\)O\(_{y}\) whiskers with high thermoelectric figure of merit. Appl. Phys. Lett. 81(8), 1459–1461 (2002). doi: 10.1063/1.1502190 Harper, J.G., Matthews, H.E., Bube, R.H.: Two-carrier photothermoelectric effects in GaAs. J. Appl. Phys. 41(7), 3182–3184 (1970). doi:10.1063/1.1659387 Hayashi, S.F., Nakamura, T., Kageyama, K., Takagi, H.: Monolithic thermoelectric devices prepared with multilayer cofired ceramics technology. Jpn. J. Appl. Phys. 49(9), 096505 (2010). doi:10.7567/JJAP.49.096505 He, J., Liu, Y., Funahashi, R.: Oxide thermoelectrics: the challenges, progress, and outlook. J. Mater. Res. 26(15), 1762–1772 (2011). doi:10.1557/jmr.2011.108 Inagoya, A., Sawaki, D., Horiuchi, Y., Urata, S., Funahashi, R., Terasaki, I.: Thermoelectric module made of perovskite cobalt oxides with large thermopower. J. Appl. Phys. 110(12), 123712 (2011). doi:10.1063/1.3671070 Ito, M., Nagira, T., Furumoto, D., Katsuyama, S., Nagai, H.: Synthesis of Na\(_x\)Co\(_2\)O\(_4\) thermoelectric oxides by the polymerized complex method. Scripta Mater. 48(4), 403–408 (2003). doi: 10.1016/S1359-6462(02)00443-8 Kasymakhunova, A., Nabiev, M.: Photothermoelectric converters of concentrated radiation. Tech. Phys. Lett. 29(3), 253–255 (2003). doi:10.1134/1.1565650 Koumoto, K., Wang, Y., Zhang, R., Kosuga, A., Funahashi, R.: Oxide thermoelectric materials: a nanostructuring approach. Ann. Rev. Mater. Res. 40(1), 363–394 (2010). doi:10.1146/annurev-matsci-070909-104521 Kraemer, D., Poudel, B., Feng, Hp, Caylor, J.C., Yu, B., Yan, X., Ma, Y., Wang, X., Wang, D., Muto, A., McEnaney, K., Chiesa, M., Ren, Z., Chen, G.: High-performance flat-panel solar thermoelectric generators with high thermal concentration. Nat. Mater. 10, 532–538 (2011). doi:10.1038/nmat3013 Kwok, H.B., Bube, R.H.: Thermoelectric and photothermoelectric effects in semiconductors: CdS single crystals. J. Appl. Phys. 44(1), 138–144 (1973). doi:10.1063/1.1661848 Matsubara, I., Funahashi, R., Takeuchi, T., Sodeoka, S., Shimizu, T., Ueno, K.: Fabrication of an all-oxide thermoelectric power generator. Appl. Phys. Lett. 78(23), 3627–3629 (2001). doi:10.1063/1.1376155 Mondal, P.S., Okazaki, R., Taniguchi, H., Terasaki, I.: Photo-seebeck effect in tetragonal PbO single crystals. J. Appl. Phys. 114(17), 173710 (2013). doi:10.1063/1.4829460 Naito, H., Kohsaka, Y., Cooke, D., Arashi, H.: Development of a solar receiver for a high-efficiency thermionic/thermoelectric conversion system. Sol. Energy 58(4–6), 191–195 (1996). doi:10.1016/S0038-092X(96)00084-9 Ohtaki, M., Nojiri, Y., Maeda, E.: Improved thermoelectric performance of sintered NaCo\(_2\)O\(_4\) with enhanced 2-dimensional microstructure. In: Rowe, M. (ed.) Proceedings of The 19th International Conference on Thermoelectrics (ICT2000), pp. 190–195. Babrow, Cardiff (2000) Okazaki, R., Horikawa, A., Yasui, Y., Terasaki, I.: Photo-seebeck effect in ZnO. J. Phys. Soc. Jpn. 81(11), 114722 (2012). doi:10.1143/JPSJ.81.114722 Ono, Y., Kimura, D., Kawano, S.H.O., Watanabe, R., Kajitani, T.: Fabrication and performance of an oxide thermoelectric power generator. In: Proceedings of The 21st International Conference on Thermoelectrics (ICT2002), pp. 454–457. IEEE (2002) Park, K.T., Shin, S.M., Tazebay, A.S., Um, H.D., Jung, J.Y., Jee, S.W., Oh, M.W., Park, S.D., Yoo, B., Yu, C., Lee, J.H.: Lossless hybridization between photovoltaic and thermoelectric devices. Sci. Rep. 3, 2123 (2013). doi:10.1038/srep02123 Reddy, E.S., Noudem, J.G., Hebert, S., Goupil, C.: Fabrication and properties of four-leg oxide thermoelectric modules. J. Phys. D 38(19), 3751–3755 (2005). doi:10.1088/0022-3727/38/19/026 Satake, A., Tanaka, H., Ohkawa, T., Fujii, T., Terasaki, I.: Thermal conductivity of the thermoelectric layered cobalt oxides measured by the Harman method. J. Appl. Phys. 96(1), 931–933 (2004). doi:10.1063/1.1753070 Shikano, M., Funahashi, R.: Electrical and thermal properties of single-crystalline (Ca\(_{2}\)CoO\(_{3}\))\(_{0.7}\)CoO\(_{2}\) with a Ca\(_{3}\)Co\(_{4}\)O\(_{9}\) structure. Appl. Phys. Lett. 82(12), 1851–1853 (2003). doi: 10.1063/1.1562337 Shin, W., Murayama, N., Ikeda, K., Sago, S., Terasaki, I.: Thermoelectric device of Na(Co, Cu)\(_2\)O\(_4\) and (Ba, Sr)PbO\(_3\). J. Cer. Soc. Jpn. 110(8), 727–730 (2002). doi: 10.2109/jcersj.110.727 Singh, G.: Solar power generation by PV (photovoltaic) technology: a review. Energy 53, 1–13 (2013). doi:10.1016/j.energy.2013.02.057 Snyder, G.J., Toberer, E.S.: Complex thermoelectric materials. Nat. Mater. 7, 105–114 (2008). doi:10.1038/nmat2090 Snyder, G.J., Ursell, T.S.: Thermoelectric efficiency and compatibility. Phys. Rev. Lett. 91(14), 148301 (2003). doi:10.1103/PhysRevLett.91.148301 Suter, C., Tomes, P., Weidenkaff, A., Steinfeld, A.: Heat transfer and geometrical analysis of thermoelectric converters driven by concentrated solar radiation. Materials 3(4), 2735–2752 (2010). doi:10.3390/ma3042735 Tauc, J.: The thermal photo-electric phenomenon in semi-conductors. Czech. Phys. J. 5(4), 528–535 (1955). doi:10.1007/BF01687219 Telkes, M.: Solar thermoelectric generators. J. Appl. Phys. 25(6), 765–777 (1954). doi:10.1063/1.1721728 Terasaki, I., Sasago, Y., Uchinokura, K.: Large thermoelectric power in NaCo\(_2\)O\(_4\) single crystals. Phys. Rev. B 56(20), R12685–R12687 (1997). doi: 10.1103/PhysRevB.56.R12685 Thirugnanasambandam, M., Iniyan, S., Goic, R.: A review of solar thermal technologies. Renew. Sustain. Energy Rev. 14(1), 312–322 (2010). doi:10.1016/j.rser.2009.07.014 Tomes, P., Trottmann, M., Suter, C., Aguirre, M.H., Steinfeld, A., Haueter, P., Weidenkaff, A.: Thermoelectric oxide modules (TOMs) for the direct conversion of simulated solar radiation into electrical energy. Materials 3(4), 2801–2814 (2010). doi:10.3390/ma3042801 Urata, S., Funahashi, R., Mihara, T., Kosuga, A., Sodeoka, S., Tanaka, T.: Power generation of a p-type Ca\(_3\)Co\(_4\)O\(_9\)/n-type CaMnO\(_3\) module. Int. J. Appl. Cer. Technol. 4(6), 535–540 (2007). doi: 10.1111/j.1744-7402.2007.02173.x Van Nong, N., Pryds, N., Linderoth, S., Ohtaki, M.: Enhancement of the thermoelectric performance of \(p\)-type layered oxide Ca\(_3\)Co\(_4\)O\(_{9+d}\) through heavy doping and metallic nanoinclusions. Adv. Mater. 23(21), 2484–2490 (2011). doi: 10.1002/adma.201004782 Wang, N., Han, L., He, H., Park, N.H., Koumoto, K.: A novel high-performance photovoltaic–thermoelectric hybrid device. Energy Environ. Sci. 4(9), 3676–3679 (2011). doi:10.1039/c1ee01646f Wang, Y., Sui, Y., Cheng, J., Wang, X., Su, W.: Comparison of the high temperature thermoelectric properties for Ag-doped and Ag-added Ca\(_3\)Co\(_4\)O\(_9\). J. Alloys Comp. 477(1–2), 817–821 (2009). doi: 10.1016/j.jallcom.2008.10.162 Whitney, R.S.: Nonlinear thermoelectricity in point contacts at pinch off: a catastrophe aids cooling. Phys. Rev. B 88(6), 064302 (2013). doi:10.1103/PhysRevB.88.064302 Zebarjadi, M., Esfarjani, K., Shakouri, A.: Nonlinear peltier effect in semiconductors. Appl. Phys. Lett. 91(12), 104122 (2007). doi:10.1063/1.2785154