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熱電性能指数(ZT)

1950
  • Abram Ioffe
固体物理学研究室で熱電材料を測定する研究者。.

(画像はイメージです)

熱電性能指数ZTは、熱電用途における材料の効率を測定する無次元量です。ZTは[latex]ZT = frac{S^2 sigma T}{kappa}[/latex]と定義され、Sは ゼーベック ZT係数は、電気伝導率([latex]sigma[/latex])、絶対温度(T)、熱伝導率([latex]kappa[/latex])を表します。ZT値が高いほど、熱電材料の効率が高いことを示します。

性能指数は、熱電エネルギー変換において材料が効果的に機能するために必要な特性を包括的に表しています。分子の [latex]S^2 sigma[/latex] は、パワーファクターとして知られています。与えられた温度差から大きな電圧を生成するには、高いゼーベック係数 (S) が必要であり、抵抗 (ジュール) 熱損失を最小限に抑えるには、高い電気伝導率 ([latex]sigma[/latex]) が必要です。分母の熱伝導率 ([latex]kappa[/latex]) は、できるだけ低くする必要があります。低い [latex]kappa[/latex] は、デバイス全体で大きな温度差を維持するのに役立ち、これは発電 (ゼーベック効果)と冷却(ペルティエ効果).

The primary challenge in thermoelectric material science is that these properties are often interdependent and conflicting. For instance, materials with high electrical conductivity (like metals) also tend to have high thermal conductivity due to the Wiedemann-Franz law. The quest for high ZT materials has led to advanced strategies like nanostructuring. By creating structures with features on the nanoscale, it is possible to scatter phonons (which carry heat) more effectively than electrons (which carry charge), thereby reducing [latex]kappa[/latex] without significantly harming [latex]sigma[/latex]. This ‘phonon-glass electron-crystal’ concept has led to significant improvements in ZT values over the last few decades.

UNESCO Nomenclature: 2211
固体物理学

タイプ

物理的資産

混乱

増分

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ゼーベックの発見、 ペルティエ、およびトムソン効果
  • 固体物理学と半導体理論の発展
  • 固体における電気伝導および熱伝導メカニズムの理解
  • 電気伝導率と熱伝導率の関係を示すヴィーデマン・フランツの法則

アプリケーション

  • 異なる熱電材料の性能を比較するためのベンチマーク
  • より効率的な熱電デバイスの開発に向けた材料科学研究の指針
  • 熱電発電機(TEG)および冷却器(TEC)の設計パラメータ
  • 熱電デバイスの最大効率を予測する

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

  • printable thermoelectric inks for creating custom-shaped energy harvesters on any surface
  • transparent thermoelectric films for power-generating smart windows
  • biodegradable thermoelectric materials for temporary 医療用インプラント
  • thermoelectric paints for large-scale waste heat recovery on industrial pipes and engines
  • flexible thermoelectric fabrics integrated into clothing to power personal electronics
  • quantum dot-enhanced materials with engineered electronic band structures for ultra-high zt
  • self-healing thermoelectric composites for long-duration space missions
  • hybrid photovoltaic-thermoelectric devices that capture both light and heat from the sun
  • thermoelectric sensors that measure heat flux with high precision
  • topological insulators as a new class of high-zt materials
関連項目:性能指数、ZT、熱電効率、ゼーベック係数、電気伝導率、熱伝導率、材料科学、パワーファクター、フォノン 散乱ナノ構造化。

歴史的背景

熱電性能指数(ZT)

1950
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1957
1947
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1957

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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