Resumen de Desarrollo y caracterización de estructuras termoeléctricas con pellets constituidos por nuevos materiales y geometrías no estándar

Francisco Javier Villasevil Marco

• español

  Con los materiales utilizados actualmente en la fabricación de las células termoeléctricas y con las geometrías utilizadas, no es posible mejorar, en un rango determinado de temperaturas, características como la figura de mérito y el COP de estructuras. La comunidad científica intenta aumentar el factor de mérito por medio de la búsqueda de nuevos materiales, incluidos los sistemas de baja dimensionalidad como puntos cuánticos y superredes. Sólo unos pocos realizan investigación de los fenómenos termoeléctricos sin utilizar nuevos materiales, buscando una mejor comprensión de los principios físicos que rigen estos fenómenos.

  Es posible contemplar, en la búsqueda de la mejora de los módulos termoeléctricos, las dos tendencias a la vez; es decir, buscar una mejor comprensión de los principios físicos y a la vez ensayar nuevos materiales. Por esta razón, esta tesis realiza tanto el estudio de la influencia de la geometría y de las propiedades termoeléctricas de las thermo-couples sobre las propiedades de los módulos termoeléctricos, como el desarrollo, la caracterización y testeado de varias células basadas en diferentes materiales caracterizados en el grupo de investigación.

  Concretamente, en esta tesis, se han caracterizado nuevos módulos termoeléctricos con materiales (Bi2Te3)1-x-y (Sb2Te3)x (Sb2Se3)y crecidos con técnicas de cristalización de Bridgeman, y también otros módulos con thermo-couples de materiales como son las Skutterudites basadas en el Zn4Sb3 - CoSb3 con crecimiento a base de nanotecnología. En todos los desarrollos se ensayan nuevas geometrías no estándar y se caracteriza y compara su comportamiento en un rango de temperaturas entre 300 y 650 ºK.

  La caracterización se ha realizado a partir de las características intrínsecas relacionadas con las propiedades termoeléctricas de los materiales constituyentes de las thermo-couples y su geometría; y determinando el comportamiento del módulo funcionando tanto como bomba de calor y refrigerados como generador en el rango de temperaturas considerado.

  Notando que estos aspectos relacionados tanto con la geometría del semiconductor como con sus propiedades intrínsecas y su interacción en un modelo inicialmente unidimensional, son tratados en la literatura mediante formas básicas, se ha considerado necesario profundizar sobre estas influencias. Ello ha permitido construir y caracterizar módulos no estándar, con pellets configurados con diferentes geometrías y obteniendo buenas prestaciones en el rango de temperaturas considerado.

  También el comportamiento en frecuencia es muy poco tratado en el modelado de las estructuras termoeléctricas, y sin embargo hay aplicaciones que requieren un análisis en frecuencia y que están relacionadas con la miniaturización de la célula y en su inercia en la respuesta. Esta tesis, considerando este aspecto útil en el objetivo de caracterización, ha trabajado este comportamiento en frecuencia; consiguiendo desarrollar, caracterizar y construir un sistema termoeléctrico no estándar para una aplicación industrial y con una inercia en la respuesta que no cumple ningún sistema comercial estándar hasta el momento.

  Para conseguir el objetivo de desarrollar y caracterizar estructuras termoeléctricas con pellets constituidos por nuevos materiales y geometrías no estándar, la tesis (una vez examinado el estado del arte tanto en el aspecto del modelado como en el estudio de los fenómenos termoeléctricos), sigue la siguiente secuencia:

  1) Estudio y análisis de la influencia del modelo en la caracterización de las células.

  2) Estudio y análisis de la influencia tanto de las propiedades como de la geometría de los pellet y de la propia célula.

  3) Desarrollo y caracterización de 5 células termoeléctricas en el rango de 270 a 650K;

  una de ellas con un tiempo de inercia muy bajo para una aplicación industrial.

  4) Construcción y testeado de todas las placas caracterizadas.

  5) Comparación del comportamiento y de las propiedades de todas las células y thermocouples.

• català

  Amb els materials utilitzats actualment en la fabricació de les cèllules termoelèctriques i amb les geometries utilitzades, no és possible millorar, en un rang determinat de temperatures, característiques tals com la figura de mèrit i el COP de estructures. La comunitat científica intenta augmentar el factor de mèrit buscant nous materials, els sistemes de baixa dimenssionalitat, els punts quàntics i super-xarxes. Tant sols uns pocs realitzen investigació dels fenòmens termoelèctrics sense utilitzar nous materials, buscant una major comprensió de los principis físics que regulen aquests fenòmens.

  Es possible contemplar, en la recerca de la millora dels mòduls termoelèctrics, las dos tendències a la vegada; és a dir, buscar una major comprensió de los principis físics i a la vegada assajar nous materials. Per aquesta raó, la tesi realitza tant lestudi de la influencia de la geometria i de les propietats termoelèctriques de les thermo-couples sobre les propietats dels mòduls termoelèctrics, com el desenvolupament, la caracterització i testejat de varies cèllules basades en diferents materials caracteritzats en el grup de investigació.

  Concretament, en esta tesi, shan caracteritzat nous mòduls termoelèctrics amb materials (Bi2Te3)1-x-y (Sb2Te3)x (Sb2Se3)y crescuts amb tècniques de cristallització de Bridgeman, i també altres mòduls amb thermo-couples de materials com són les Skutterudites basades en el Zn4Sb3 - CoSb3 amb creixement a base de nanotecnologia. En tots els desenvolupaments sassagen noves geometries no estàndard i es caracteritza i compara el seu comportament en un rang de temperatures entre 300 i 650 ºK.

  La caracterització sha realitzat a partir de las característiques intrínseques relacionades amb les propietats termoelèctriques dels materials constituents de les thermo-couples i la seva geometria; tot determinant el comportament del mòdul funcionant tant com bomba de calor i refrigerador com generador en el rang de temperatures considerat.

  Veient que aquests aspectes relacionats tant amb la geometria del semiconductor com amb les seves propietats intrínseques i la seva interacció en un modelo inicialment unidimensional, són tractats a la literatura mitjançant formes bàsiques, sha considerat necessari profunditzar sobre aquestes influències. La qual cosa ha permès construir i caracteritzar mòduls no estàndard, amb pellets configurats amb diferents geometries i obtenint bones prestacions en el rang de temperatures considerat.

  També el comportament en freqüència és molt poc tractat en el modelat de les estructures termoelèctriques, i tanmateix hi ha aplicacions que requereixen un anàlisi en freqüència i a més aquestes aplicacions estan relacionades amb la miniaturització de la cèllula i la seva inèrcia en la resposta. Aquesta tesi, considerant aquest aspecte útil en lobjectiu de la caracterització, ha treballat el comportament en freqüència; aconseguint desenvolupar, caracteritzar i construir un sistema termoelèctric no estàndard per a una aplicació industrial i amb una inèrcia en la resposta que no compleix cap sistema comercial estàndard fins el moment.

  Per aconseguir lobjectiu de desenvolupar i caracteritzar estructures termoelèctriques amb pellets constituïts per nous materials i geometries no estàndard, la tesi (un cop examinat lestat de lart tant en laspecte del modelat com en lestudi dels fenòmens termoelèctrics), segueix el següent seqüència:

  1) Estudi i anàlisis de la influència del model en la caracterització de les cèllules.

  2) Estudi i anàlisis de la influència tant de les propietats com de la geometria dels pellet i de la pròpia cèllula.

  3) Desenvolupament i caracterització de 5 cèllules termoelèctriques en el rang de 270 a 650ºK; una delles con un temps de inèrcia molt baix per a una aplicació industrial.

  4) Construcció i testejat de totes las plaques caracteritzades.

  5) Comparació del comportament i de les propietats de totes las cèllules i thermo-couples.

• English

  With the materials use at the present time to manufacture thermoelectric devices and with the actual geometries, it is not possible to improve, in a determine temperature range, characteristics as the Figure of Merit or COP from their structures.

  The Scientific community is trying to improve the Figure of Merit, by searching for new materials, including systems of low dimensions as quantic points and super-nets. Only few people are working into thermoelectric phenomenon with out using new materials, searching for a better understanding of the physical behaviors.

  It is possible to observe, in our search of improving the thermoelectric devices, both tendencies at the same time; is to say, to search for a better understanding of the physical phenomenon and test new materials as well.

  For this reason, this thesis is focus in the study of the geometry influence and the thermoelectric properties of the thermocouples regarding the module properties, as the development, characterization, and few devices test analysis base in different materials define in the research group.

  Basically in this thesis, it has been characterize new thermoelectric modules with materials (Bi2Te3)1-x-y (Sb2Te3)x (Sb2Se3) and implemented with crystallization techniques from Bridgeman, and also some other modules with thermocouples with materials as Skutterudites base in Zn4Sb3 - CoSb3 , with nanotechnology process.

  In all developments we test new geometries non standard and also its characterization and compare their behavior in a temperature range of 300 to 650 ºK.

  The characterization was done starting with the intrinsic characteristics related to the thermoelectric properties of the materials regarding the geometry and the thermocouples, and determining the behavior of the module as a heat pump and cooling device, in the temperature range selected for such purpose.

  Taking into account the related aspect, such as the semiconductor geometry as their intrinsic properties and its interaction initially one-dimension, this are treated in the literature as basic forms, it was necessary a deep research on all this influences. It has allowed to build up and to characterize non standard modules, with pellets configure with different geometries and obtaining good results in the temperature range propose.

  Also the behavior in frequency has been little treated in the modeling of the thermoelectric structures, however there are applications which needs a frequency analysis and are related to miniaturization of the thermoelectric device and its inertia in their response.

  This thesis, taking into account this useful aspect having as goal the characterization, has been working this behavior in frequency, reaching a development, characterization and build up a thermoelectric system non standard for an industrial application and with a good inertia in the response that does not meets any standard commercial system at this moment.

  To achieve the objective of developing and to characterize the thermoelectric structures with pellets form by new materials and new geometries non standard, the thesis, once review the state of art, from the view of the modeling as the thermoelectric phenomenon study, follows the describe sequence 1) Study and analysis of the influence on the devices, from modeling and characterization.

  2) Study and analysis of the influence regarding the properties as the geometry of the pellets from the thermoelectric device.

  3) Development and characterization of 5 thermoelectric devices in the range of 270 to 650K, one of them with a low time of inertia for an industrial application.

  4) Construction and testing of all characterize thermoelectric devices.

  5) Behavior comparison of all properties of TE devices and thermocouples