Peltier-elementti

Sähköjännite kuormituksen aikana ilmenee muodossa:

${\displaystyle U=\alpha \Delta T-IR_{TE}}$,

missä ${\displaystyle U}$ on kuormitettu jännite, ${\displaystyle I}$ on ampeeri, ${\displaystyle R_{TE}}$ on generaattorin sisäinen vastus, ${\displaystyle \alpha }$ on Seebeckin kerroin ja ${\displaystyle \Delta T}$ on lämpötilaero.

Termosähköisen elementin vastus ${\displaystyle R_{i}}$ riippuu kennon resistiivisuudesta ${\displaystyle \rho _{i}}$, pituus ${\displaystyle l}$ ja poikkileikkausala ${\displaystyle A_{i}}$ :

${\displaystyle R_{i}=\rho _{i}{\frac {l}{A_{i}}}}$

Yhteys ${\displaystyle P=U^{2}/R}$ tämän perusteella lämpösähkögeneraattorin teho ilmaistaan seuraavasti:

${\displaystyle P\approx \Delta T^{2}{\frac {\alpha ^{2}}{\rho }}{\frac {A_{TE}}{l}}}$,

missä ${\displaystyle A_{TE}}$ on lämpösähköisten elementtien kokonaispinta-ala.

Generaattorin hyötysuhde ei riipu pelkästään tehosta, vaan myös syöttölämmöstä laitteen kuumalla puolella. Syöttölämpö kulutetaan lämpösähköisen prosessin aikana (Peltier-ilmiö), mutta osa lämmöstä hajaantuu generaattorin lämmönjohtavuuden vuoksi ( Fourier'n laki ) ja osa kuluu itse generaattorin resistiivisen lämmön vapautumisen voittamiseksi. Lämpösähköisten materiaalien lämmönjohtavuudesta johtuen osa lämmöstä vuotaa lämpimämmältä puolelta kylmemmälle puolelle, mikä alentaa lämpösähkögeneraattorin hyötysuhdetta.

Termosähköisestä materiaalista johtuvaa hyötysuhdetta kuvaa lämpökoneen hyötysuhde ja sähköterminen hyötysuhde. Lämpömoottorin tehokkuutta rajoittaa Carnot-syklin tehokkuus. Sähköterminen hyötysuhde riippuu Seebeck-kertoimesta, lämpösähköisen materiaalin sähkö- ja lämmönjohtavuudesta. Pienellä lämpötilaerolla suurin hyötysuhde ilmenee seuraavasti:

${\displaystyle \eta _{max}={\frac {\Delta T}{T_{h}}}{\frac {{\sqrt {1+zT}}-1}{{\sqrt {1+zT}}+1}}}$

${\displaystyle zT={\frac {\alpha ^{2}T}{\rho \kappa }}}$ ,

missä ${\displaystyle \rho }$ on sähkövastus, ${\displaystyle \kappa }$ lämmönjohtokyky, ${\displaystyle zT}$ lämpösähköinen hyötysuhde ja ${\displaystyle {\frac {\Delta T}{T_{h}}}}$ on lämpömoottorin hyötysuhde.

Seebeck-ilmiön ansiosta Peltier-elementtejä voidaan käyttää sähköntuottajina. Elementti toimii kuten lämpövoimakone, mutta siinä ei ole liikkuvia osia ja se on helpompi pienentää. Peltier-elementti on kuitenkin kalliimpi ja tehottomampi kuin tyypillinen lämpövoimakone.

Peltier-elementtejä käytetään voimalaitoksissa hukkalämmön muuntamiseen sähköksi ja autojen polttoainetehokkuuden lisäämiseen. Lämpösähköisiä generaattoreita käytetään avaruusluotaimissa muuttamaan radioaktiivisten isotooppien hajoamisesta vapautuvaa lämpöenergiaa sähköenergiaksi.

Ihmiskeho tuottaa 116 W istuessaan paikallaan, joka riittää LED-lampun tai kannettavan tietokoneen virtalähteeksi. Lämpösähköisiä generaattoreita käytetään myös sähköstimulaattoreiden (esim. sydämentahdistimien ) ja keinoelinten virtalähteenä.

Mikroprosessorien transistoritiheyden kasvaessa myös pintayksikköä kohti vapautuva lämpöenergia kasvaa, josta osa voidaan muuntaa takaisin sähköenergiaksi.

Termosähköisten jäähdyttimien tehokkuutta verrataan syntyneeseen enimmäislämpötilaeroon. Syntyvä suurin lämpötilaero riippuu lämpösähköisestä hyötysuhteesta seuraavasti:

${\displaystyle (T_{s}-T_{c})_{max}={\frac {z{T_{c}}^{2}}{2}}}$,

missä ${\displaystyle T_{s}}$ on alustan lämpötila ja ${\displaystyle T_{c}}$ on jäähdytettävän pään lämpötila.

Materiaalilla, jolla on korkea lämpösähköinen tehokerroin, tulee olla korkea lämpösähköinen hyötysuhde ${\displaystyle zT}$, niillä on korkea Seebeck-kerroin (puolijohteet tai eristeet, joissa varauksenkantajat ovat tyhjentyneet) ja ne ovat hyvä sähköjohdin (metallit, joissa varauksenkantajia on paljon). Suuren Seebeckin kokonaisvaikutuksen saavuttamiseksi materiaalin tulisi sisältää vain yhden tyyppisiä varauksenkuljettajia. Sekä N- että P-tyypin johtavuuden käyttö aiheuttaa päinvastaisia Seebeck-ilmiöitä ja alhaisen lämpötehon . Hyvien lämpösähköisten materiaalien katsotaan olevan voimakkaasti seostettuja puolijohteita, joiden varauksenkantajapitoisuudet ovat alueella (10¹⁹–10²¹)/cm³ .

Erilaisten materiaalien lämpösähköiset ominaisuudet. Seebeckin kerroin esitetään absoluuttisena arvona. Varauksenkuljettajien pitoisuus on logaritmisella asteikolla

Riittävän leveällä puskurivyöhykkeellä on mahdollista erottaa N- ja P-tyypin kantajat toisistaan, jotta saadaan materiaalia, jossa on samantyyppisiä kantajia. Puskurivyöhykkeen on kuitenkin oltava riittävän kapea, jotta varmistetaan varauksenkuljettajien suuri liikkuvuus ja siten hyvä sähkönjohtavuus.

Hyvä lämpösähköinen materiaali on myös huono lämmönjohdin. Sekä fononit että kiderakenteessa etenevät elektronit tai reiät vaikuttavat lämmönjohtavuuteen. Lämmönjohtavuutta voidaan vähentää häiritsemällä rakenteellista järjestystä, lisäämällä raskaita atomeja, luomalla atomiklustereita ja käyttämällä suuria yksikkösoluja sisältäviä materiaaleja.

Lämpösähköisten materiaalien ominaisuudet:

• puolijohteet kapealla kaistavälillä (jotta niitä voidaan käyttää huoneenlämmössä)
• raskaat elementit (hyvä varausten liikkuvuus, alhainen lämmönjohtavuus )
• suuri yksikkösolu, jolla on monimutkainen rakenne
• vahvasti anisotrooppinen tai vahvasti symmetrinen
• monimutkainen koostumus

Lämpösähköisinä puolijohteina käytetään vismuttitelluridia, lyijytelluridia, pii-germaniumia sekä vismutin ja antimonin seoksia. Yllä mainituista vismuttitelluridi on yleisin.

Yksi monista mahdollisista valmistusmenetelmistä sivuttaisille Peltier-elementeille.

1. Nitriittisaostuminen. Piinitridikerros kerrostetaan piidioksidipuolijohdekiekon molemmille puolille kemiallisella höyrypinnoituksella . Päällimmäinen piinitridikerros on välttämätön alkalisen etsausprosessin pysäyttämiseksi. Alempaa piinitridikerrosta käytetään etsausmaskina.
2. Monikiteisen pii-germaniumkerroksen kasvattaminen. Lämpösähköisen materiaalin ${\displaystyle >{\text{polySi}}_{0,7}>{\text{Ge}}_{0,3}}$ kasvattaminen suoraan piinitridipinnalle on vaikeaa (piinitridipinnoituksessa käytettävien klooriyhdisteiden vuoksi). Piinitridi levitetään pinnalle kemiallisella höyrypinnoituksella ${\displaystyle polySi}$ tumakerros, jolla tapahtuu epitaksiaalista kasvua ${\displaystyle {\text{polySi}}_{0,7}>{\text{Ge}}_{0,3}}$ . Termosähköinen materiaali seostetaan ja leikataan anisotrooppisella plasmaetsauksella .
3. Oksidin laskeuma. Tetraetyyliortosilikaattia (TEOS) käytetään piidioksidin kemiallisessa höyrypinnoituksessa.
4. Hehkutus. Piidioksidipinnoituksen jälkeen puolijohdekiekko hehkutetaan monikiteisen pii-germaniumin uudelleenkiteyttämiseksi. Hehkutus auttaa aktivoimaan seostettuja atomeja, vähentämään mekaanisia rasituksia lämpösähköisessä materiaalissa ja lisäämään piidioksidikerroksen tiheyttä.
5. Metallisointi. Ionietsaus luo piidioksidiin reikiä sähköisiä koskettimia varten. ${\displaystyle {\text{Al}}_{0.99}{\text{Si}}_{0.01}}$ levitetään puolijohdekiekolle, joka sitten leikataan ionisyövytyksellä.
6. Läpäisevä etsaus. Ensin kaliumhydroksidi syövytetään puolijohdekiekon läpi ylimpään piinitridikerrokseen. Kalvo leikataan sitten käyttämällä reaktiivista ionisyövytystä (eng. k. RIE ).