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

Abstract

Amb els materials utilitzats actualment en la fabricació de les cèl·lules 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.<br/>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 l'estudi 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 cèl·lules basades en diferents materials caracteritzats en el grup de investigació.<br/>Concretament, en esta tesi, s'han caracteritzat nous mòduls termoelèctrics amb materials (Bi2Te3)1-x-y (Sb2Te3)x (Sb2Se3)y crescuts amb tècniques de cristal·lització 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 s'assagen noves geometries no estàndard i es caracteritza i compara el seu comportament en un rang de temperatures entre 300 i 650 ºK.<br/>La caracterització s'ha 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.<br/>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, s'ha 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.<br/> 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 cèl·lula i la seva inèrcia en la resposta. Aquesta tesi, considerant aquest aspecte útil en l'objectiu 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.<br/> Per aconseguir l'objectiu de desenvolupar i caracteritzar estructures termoelèctriques amb pellets constituïts per nous materials i geometries no estàndard, la tesi (un cop examinat l'estat de l'art tant en l'aspecte del modelat com en l'estudi dels fenòmens termoelèctrics), segueix el següent seqüència:<br/><br/>1) Estudi i anàlisis de la influència del model en la caracterització de les cèl·lules.<br/>2) Estudi i anàlisis de la influència tant de les propietats com de la geometria dels pellet i de la pròpia cèl·lula.<br/>3) Desenvolupament i caracterització de 5 cèl·lules termoelèctriques en el rang de 270 a 650ºK; una d'elles con un temps de inèrcia molt baix per a una aplicació industrial.<br/>4) Construcció i testejat de totes las plaques caracteritzades.<br/>5) Comparació del comportament i de les propietats de totes las cèl·lules i thermo-couples. With the materials use at the present time to manufacture thermoelectric devices and with<br/>the actual geometries, it is not possible to improve, in a determine temperature range,<br/>characteristics as the Figure of Merit or COP from their structures.<br/>The Scientific community is trying to improve the Figure of Merit, by searching for new<br/>materials, including systems of low dimensions as quantic points and super-nets. Only few people<br/>are working into thermoelectric phenomenon with out using new materials, searching for a better<br/>understanding of the physical behaviors.<br/>It is possible to observe, in our search of improving the thermoelectric devices, both<br/>tendencies at the same time; is to say, to search for a better understanding of the physical<br/>phenomenon and test new materials as well.<br/>For this reason, this thesis is focus in the study of the geometry influence and the<br/>thermoelectric properties of the thermocouples regarding the module properties, as the<br/>development, characterization, and few devices test analysis base in different materials define in<br/>the research group.<br/>Basically in this thesis, it has been characterize new thermoelectric modules with materials<br/>(Bi2Te3)1-x-y (Sb2Te3)x (Sb2Se3) and implemented with crystallization techniques from Bridgeman,<br/>and also some other modules with thermocouples with materials as Skutterudites base in Zn4Sb3 -<br/>CoSb3 , with nanotechnology process.<br/>In all developments we test new geometries non standard and also its characterization and<br/>compare their behavior in a temperature range of 300 to 650 ºK.<br/>The characterization was done starting with the intrinsic characteristics related to the<br/>thermoelectric properties of the materials regarding the geometry and the thermocouples, and<br/>determining the behavior of the module as a heat pump and cooling device, in the temperature<br/>range selected for such purpose.<br/>Taking into account the related aspect, such as the semiconductor geometry as their<br/>intrinsic properties and its interaction initially one-dimension, this are treated in the literature as<br/>basic forms, it was necessary a deep research on all this influences. It has allowed to build up and<br/>to characterize non standard modules, with pellets configure with different geometries and obtaining<br/>good results in the temperature range propose.<br/>Also the behavior in frequency has been little treated in the modeling of the thermoelectric<br/>structures, however there are applications which needs a frequency analysis and are related to<br/>miniaturization of the thermoelectric device and its inertia in their response.<br/>This thesis, taking into account this useful aspect having as goal the characterization, has<br/>been working this behavior in frequency, reaching a development, characterization and build up a<br/>thermoelectric system non standard for an industrial application and with a good inertia in the<br/>response that does not meets any standard commercial system at this moment.<br/>To achieve the objective of developing and to characterize the thermoelectric structures<br/>with pellets form by new materials and new geometries non standard, the thesis, once review the<br/>state of art, from the view of the modeling as the thermoelectric phenomenon study, follows the<br/>describe sequence<br/>1) Study and analysis of the influence on the devices, from modeling and characterization.<br/>2) Study and analysis of the influence regarding the properties as the geometry of the pellets<br/>from the thermoelectric device.<br/>3) Development and characterization of 5 thermoelectric devices in the range of 270 to 650K,<br/>one of them with a low time of inertia for an industrial application.<br/>4) Construction and testing of all characterize thermoelectric devices.<br/>5) Behavior comparison of all properties of TE devices and thermocouples Con los materiales utilizados actualmente en la fabricación de las células termoeléctricas y<br/>con las geometrías utilizadas, no es posible mejorar, en un rango determinado de temperaturas,<br/>características como la figura de mérito y el COP de estructuras. La comunidad científica intenta<br/>aumentar el factor de mérito por medio de la búsqueda de nuevos materiales, incluidos los<br/>sistemas de baja dimensionalidad como puntos cuánticos y superredes. Sólo unos pocos realizan<br/>investigación de los fenómenos termoeléctricos sin utilizar nuevos materiales, buscando una mejor<br/>comprensión de los principios físicos que rigen estos fenómenos.<br/>Es posible contemplar, en la búsqueda de la mejora de los módulos termoeléctricos, las<br/>dos tendencias a la vez; es decir, buscar una mejor comprensión de los principios físicos y a la vez<br/>ensayar nuevos materiales. Por esta razón, esta tesis realiza tanto el estudio de la influencia de la<br/>geometría y de las propiedades termoeléctricas de las thermo-couples sobre las propiedades de<br/>los módulos termoeléctricos, como el desarrollo, la caracterización y testeado de varias células<br/>basadas en diferentes materiales caracterizados en el grupo de investigación.<br/>Concretamente, en esta tesis, se han caracterizado nuevos módulos termoeléctricos con<br/>materiales (Bi2Te3)1-x-y (Sb2Te3)x (Sb2Se3)y crecidos con técnicas de cristalización de Bridgeman, y<br/>también otros módulos con thermo-couples de materiales como son las Skutterudites basadas en<br/>el Zn4Sb3 - CoSb3 con crecimiento a base de nanotecnología. En todos los desarrollos se ensayan<br/>nuevas geometrías no estándar y se caracteriza y compara su comportamiento en un rango de<br/>temperaturas entre 300 y 650 ºK.<br/>La caracterización se ha realizado a partir de las características intrínsecas relacionadas<br/>con las propiedades termoeléctricas de los materiales constituyentes de las thermo-couples y su<br/>geometría; y determinando el comportamiento del módulo funcionando tanto como bomba de calor<br/>y refrigerados como generador en el rango de temperaturas considerado.<br/>Notando que estos aspectos relacionados tanto con la geometría del semiconductor como<br/>con sus propiedades intrínsecas y su interacción en un modelo inicialmente unidimensional, son<br/>tratados en la literatura mediante formas básicas, se ha considerado necesario profundizar sobre<br/>estas influencias. Ello ha permitido construir y caracterizar módulos no estándar, con pellets<br/>configurados con diferentes geometrías y obteniendo buenas prestaciones en el rango de<br/>temperaturas considerado.<br/>También el comportamiento en frecuencia es muy poco tratado en el modelado de las<br/>estructuras termoeléctricas, y sin embargo hay aplicaciones que requieren un análisis en<br/>frecuencia y que están relacionadas con la miniaturización de la célula y en su inercia en la<br/>respuesta. Esta tesis, considerando este aspecto útil en el objetivo de caracterización, ha trabajado<br/>este comportamiento en frecuencia; consiguiendo desarrollar, caracterizar y construir un sistema<br/>termoeléctrico no estándar para una aplicación industrial y con una inercia en la respuesta que no<br/>cumple ningún sistema comercial estándar hasta el momento.<br/>Para conseguir el objetivo de desarrollar y caracterizar estructuras termoeléctricas con<br/>pellets constituidos por nuevos materiales y geometrías no estándar, la tesis (una vez examinado<br/>el estado del arte tanto en el aspecto del modelado como en el estudio de los fenómenos<br/>termoeléctricos), sigue la siguiente secuencia:<br/>1) Estudio y análisis de la influencia del modelo en la caracterización de las células.<br/>2) Estudio y análisis de la influencia tanto de las propiedades como de la geometría de<br/>los pellet y de la propia célula.<br/>3) Desarrollo y caracterización de 5 células termoeléctricas en el rango de 270 a 650K;<br/>una de ellas con un tiempo de inercia muy bajo para una aplicación industrial.<br/>4) Construcción y testeado de todas las placas caracterizadas.<br/>5) Comparación del comportamiento y de las propiedades de todas las células y thermocouples.