بهبود بازده تبدیل انرژی حالت جامد با استفاده از نانوساختارهای ترموالکتریک

نویسندگان

1 دانشگاه شهید باهنر کرمان

2 دانشگاه شهرکرد

چکیده

فناوری‌های تبدیل انرژی حالت جامد مانند سرماسازی و تولید توان ترموالکتریک، نیازمند موادی است که دارای رسانایی حرارتی پایین و در عین حال رسانایی الکتریکی و ضریب سیبک بالا باشند. با اینکه نیمه‌رساناها بهترین مواد ترموالکتریک هستند، ولی در نیمه‌رساناهای معمولی به‌ندرت این ویژگی‌ها یافت می‌شود. نانوساختارها از قبیل ابرشبکه‌ها، تارهای کوانتومی و نقطه‌های کوانتومی روش‌های جدیدی را برای بهبود بازده تبدیل انرژی حالت جامد از طریق مهندسی انتقال الکترون و فونون فراهم می‌کنند. در این تحقیق، یک ابر شبکۀ نیمه‌رسانا متشکل از نانولایه‌های متناوب سیلیکون و ژرمانیوم بررسی شده است. انتقال حرارت رسانایی در این نانوساختار با توجه به اثرات مقیاس نانو، از قانون فوریه پیروی نمی‌کند. معادلۀ انتقال تشعشعی فونون‌ها به‌صورت عددی حل شده است و در نهایت کاهش ضریب رسانایی حرارتی نسبت به ساختار مشابه با ابعاد معمولی نشان داده شده است. نتایج نشان می‌دهد که با ثابت نگه داشتن نسبت ضخامت لایه‌ها، هرچه ضخامت لایه‌ها در ابرشبکه کوچک‌تر شود، پرش دما در فصول مشترک بیشتر شده و در نتیجه ضریب رسانایی حرارتی مؤثر کاهش بیشتری می‌یابد که در نهایت به بهبود خواص ترموالکتریک می‌انجامد. نتایج نشان می‌دهد که ضریب رسانایی حرارتی مؤثر تابعی از دانسیتۀ مرزهای مشترک بر واحد طول ابرشبکه است.

کلیدواژه‌ها


[1] Furlong, R. R.,Wahlquist, E. J., "US Space Missions Using Radioisotope Power Systems", Nuclear news, Vol. 42, pp. 26-35, 1999. [2] Goldsmid, H., "Thermoelectric Refrigeration, The International Cryogenics Monograph Series", ed: Plenum Press, New York, 1964. [3] Chen, G.,Shakouri, A., "Heat Transfer In Nanostructures for Solid-State Energy Conversion", Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Heat Transfer, Vol. 124, No. 2, pp. 242-252, 2002. [4] Ioffe, A. F., "Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling. Infosearch Limited", ed: London, 1957. [5] Rowe, D. M., CRC Handbook of Thermoelectrics. CRC press, 1995. [6] Casian, A., Dashevsky, Z., Kantser, V., Scherrer, H.,Sur, I., "Thermoelectric Figure of Merit of n-type PbTe/Pb1-xEuxTe Quantum Wells", Moldavian Journal of the Physical Sciences, Vol. 1, No. 1, pp. 100-105, 2002. [7] Yang, R., Chen, G., Dresselhaus, M. S., "Thermal Conductivity of Simple and Tubular Nanowire Composites in the Longitudinal Direction", Physical Review B, Vol. 72, No. 12, pp. 125418, 2005. [8] Casimir, H., "Note on the Conduction of Heat in Crystals", Physica, Vol. 5, No. 6, pp. 495-500, 1938. [9] Holland, M., "Phonon Scattering in Semiconductors from Thermal Conductivity Studies", Physical Review, Vol. 134, No. 2A, pp. A471, 1964. [10] Pohl, R.,Stritzker, B., "Phonon Scattering at Crystal Surfaces", Physical Review B, Vol. 25, No. 6, pp. 3608, 1982. [11] Klitsner, T., VanCleve, J., Fischer, H. E.,Pohl, R., "Phonon Radiative Heat Transfer and Surface Scattering", Physical Review B, Vol. 38, No. 11, pp. 7576, 1988. [12] Joshi, A., Majumdar, A., "Transient Ballistic and Diffusive Phonon Heat Transport in Thin Films", Journal of Applied Physics, Vol. 74, No. 1, pp. 31-39, 1993. [13] Chen, G., "Size and Interface Effects on Thermal Conductivity of Superlattices and Periodic Thin-Film Structures", Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Heat Transfer, Vol. 119, pp. 220-229, 1997. [14] Raisi, A., Rostami, A. A., "Unsteady Heat Transport in Direction Perpendicular to a Double-Layer Thin-Film Structure", Numerical Heat Transfer: Part A: Applications, Vol. 41, No. 4, pp. 373-390, 2002. [15] Yang, R., Chen, G., "Thermal Conductivity Modeling of Periodic Two-Dimensional Nanocomposites", Physical Review B, Vol. 69, No. 19, pp. 195316, 2004. [16] Lukes, J. R.,Tien, C., "Molecular Dynamics Simulation of Thermal Conduction in Nanoporous Thin Films", Microscale Thermophysical Engineering, Vol. 8, No. 4, pp. 341-359, 2004. [17] Nabovati, A., Sellan, D. P.,Amon, C. H., "On the Lattice Boltzmann Method for Phonon Transport", Journal of Computational Physics, Vol. 230, No. 15, pp. 5864-5876, 2011. [18] Garg, J.,Chen, G., "Minimum Thermal Conductivity in Superlattices: A First-principles Formalism", Physical Review B, Vol. 87, No. 14, pp. 140302, 2013. [19] Tian, Z., Esfarjani, K.,Chen, G., "Green's Function Studies of Phonon Transport Across Si/Ge Superlattices", Physical Review B, Vol. 89, No. 23, pp. 235307, 2014. [20] Sellitto, A., "A Phonon-hydrodynamic Approach to Thermal Conductivity of Si–Ge Quantum Dot Superlattices", Applied Mathematical Modelling, Vol. 39, No. 16, pp. 4687-4698, 2015. [21] Hua, Y.-C., Cao, B.-Y., "Ballistic-diffusive Heat Conduction in Multiply-constrained Nanostructures", International Journal of Thermal Sciences, Vol. 101, pp. 126-132, 2016. [22] Chen, G., Nanoscale Energy Transport and Conversion: A Parallel Treatment of Electrons, Molecules, Phonons, and Photons. Oxford University Press, 2005. [23] Ziman, J. M., Electrons and Phonons: The Theory of Transport Phenomena in Solids. Oxford university press, 1960. [24] Bhatnagar, P. L., Gross, E. P.,Krook, M., "A Model for Collision Processes in Gases. I. Small Amplitude Processes in Charged and Neutral One-component Systems", Physical review, Vol. 94, No. 3, pp. 511, 1954. [25] Succi, S., The Lattice Boltzmann Equation: For Fluid Dynamics and Beyond. Oxford university press, 2001. [26] Majumdar, A., "Microscale Heat Conduction in Dielectric Thin Films", Journal of Heat Transfer, Vol. 115, No. 1, pp. 7-16, 1993. [27] Chen, G., Tien, C., "Thermal Conductivities of Quantum Well Structures", Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 7, No. 2, pp. 311-318, 1993. [28] Perez-Taborda, J. A., Rojo, M. M., Maiz, J., Neophytou, N.,Martin-Gonzalez, M., "Ultra-low Thermal Conductivities in Large-area Si-Ge Nanomeshes for Thermoelectric Applications", Scientific reports, Vol. 6, pp. 32778, 2016.