MATERIAŁY TERMOELEKTRYCZNE
(THERMOELECTRIC MATERIALS)

Termoelektryczność jest znana od dawna, ale dopiero ostatnio zaczyna być pełni wykorzystywana - wynika to z faktu lepszego poznania własności chemicznych wielu materiałów i ogólnemu wysokiemu rozwojowi technologicznemu.

Materiały termoelektryczne

Zjawisko termoelektryczności może wystąpić wówczas, gdy mamy dwa różne materiały - jeden z niedoborem elektronów, drugi z ich nadmiarem, ponadto obydwa materiały mają różne temperatury (występuje gradient temperatury) - następuje przepływ elektronów, co generuje prąd o niewielkim natężeniu.
Przyrządy zdolne do wytwarzania prądu oparte na zjawisku termoelektryczności są niewielkie, tanie, ciche, precyzyjne i niezawodne.

Istnieją trzy podstawowe zjawiska związane z termoelektrycznością:

- efekt Seebeck'a - zdarza się gdy przez dwa różne materiały (przy gradiencie temperatury) następuje przemieszczanie elektronów i jednoczesne pojawienie się prądu elektrycznego (rysunek poniżej). Na rysunku widać, że ciepło jest absorbowane przez zimną stronę materiału, przechodzi przez urządzenie i jest emitowane na stronie materiału o najwyższej temperaturze. Od momentu rozpoczęcia "przechodzenia" ciepła, generuje się prąd elektryczny. Własność ta jest powszechnie używana w aplikacjach służących do magazynowania energii, w takich miejscach jak domy, samochody, komputery.

Jak zostało wspomniane, do zaistnienia zjawiska potrzebne są dwa różne materiały: dąży się do połączenia takich materiałów, których połączenie dałoby maksymalną wydajność, przy minimalnych kosztach.

Efekt Seebeck'a

- efekt Peltier'a - jest zjawiskiem odwrotnym do efektu Seebecka. Występuje, gdy przez dwa różne materiały przepuszczany jest prąd elektryczny: wywołuje to wystąpienie gradientu temperatury, czyli w rezultacie, wydzielenie ciepła. Wykorzystywane jest to np. w urządzeniach podgrzewających siedzenia w samochodach.

Efekt Peltier'a

- efekt Thompsona - występuje wówczas, gdy elektrony przechodzą przez jeden, nieregularnie nagrzany materiał przewodzący. Efekt ten pokazuje, że elektrony mogą przemieszczać się nawet w jednym i tym samym materiale (przy gradiencie temperatury). Efekt Thompsona działa również w drugą stronę: przepuszczanie prądu przez materiał wywołuje powstanie gradientu temperatury.

Efekt Thompsona

Materiał o dobrych  własnościach termoelektrycznych powinien posiadać duży współczynnik Seebeck'a (taki jakie mają półprzewodniki i izolatory) oraz dużą przewodność elektryczną (taką jaką mają metale). Najczęściej materiałami termoelektrycznymi są półprzewodniki z dużą ilością domieszek.

Dobry materiał termoelektryczny powinien również wykazywać małą przewodność cieplną. Przewodność cieplna w takich materiałach pochodzi od dwóch źródeł transportu ciepła. Fotony przechodząc przez sieć kryształu transportują ciepło i prowadzą do przewodności termicznej.

Dobre własności termoelektryczne wykazuje połprzewodnikowy Bi2Te3, dlatego ta właśnie substancja jest jedną z najpowszechniej używanych.
Zjawisko termoelektryczne jest zauważalne zwłaszcza w przedziale temperatur -10 do 130 stopni Celsjusza- stąd szerokie zastosowanie tellurku bizmutu w większości urządzeń termoelektrycznych.

Urządzenie z Bi2O3 może obniżyć swoją temperaturę o 50 stopni Celsjusza (w stosunku do otoczenia), ale jeśli dodać odrobinę cezu, spadek temperatury sięga od 60 do 100 stopni Celsjusza (w skrajnych przypadkach nawet o 200).

Urządzenie chłodzące termoelektryczne . Stosowany w praktyce cooler składa się dwóch lub więcej elementów półprzewodnikowych, które są ze sobą połączone elektrycznie w szeregu i cieplnie (równolegle). Te elementy termoelektryczne i ich elektryczne łączniki zazwyczaj są ulokowane pomiędzy dwoma substancjami ceramicznymi, które mają za zadanie "trzymać" mechaniczną całość, oraz izolować wpływ ewentualnych czynników zewnętrznych na proces termoelektryczności. Wielkość takich urządzeń (jak na rysunku) jest rzędu od kilku do kilkudziesięciu milimetrów, a ich grubość nie przekracza kilku milimetrów.

Oprócz wyżej wymienionych zastosowań materiałów termoelektrycznych, są jeszcze m.in.:

- wszelkiego rodzaju coolery
- naczynie chłodzące napoje
- naczynie na żywność
- przenośna lodówka
- "zimne" elementy urządzeń medycznych