温差对CaMnO3和Ca3Co4O9热电器件输出功率的影响

　　Seebeck 系数、电导率、热导率以及由它们综合得到的功率因子和热电优值是表征热电材料或器件性能的重要参数，其中 Seebeck 系数是在较小的温差条件下测量得到的，电导率是在恒定温度条件下测量得到的，热导率也需要在一定的温差条件下测量。这三个参数相互联系，不宜单独用于表征材料的热电性能，因此人们将其综合成功率因子和热电优值，以便准确地表征材料或器件的性能。

　　由于 Seebeck 系数是在较小的温度差范围内测量得到的，与 Seebeck 系数相关的功率因子和热电优值也只能在相应的较小的温度差范围内才比较准确。当温度差范围较宽( 或温差较大) 时，不宜直接用功率因子或热电优值来表征材料或器件的性能。例如文献[1-3]用这些参数来表征热电器件的输出功率和转换效率时，所得数学表达式都比较复杂。文献[2-4]用这些参数表征实验结果，也没有得到简洁的经验关系。

　　热电器件的输出功率不但取决于材料的特性，还取决于热端温度和冷端温度，或取决于平均温度和温度差。当温差较小时，热电器件的最大输出功率与温差存在近似的抛物线关系[5-8]，这可能是由于工作温度范围较窄，Seebeck 系数和电导率等材料性能参数变化不大所致。对于在高温工作的氧化物热电器件来说，由于温差较大，Seebeck 系数和电导率都有较大的变化，在这种条件下，正确测量以及用温差、Seebeck系数和电导率表征热电器件输出功率十分重要。本文在低温端散热条件不变的情况下，在较宽的测试温度范围内分别测试了 CaMnO3( n-type) 和Ca3Co4O9( p-type) 单臂热电器件的输出功率，分析了温差、Seebeck 系数和电导率对热电器件输出功率的影响。

　　1 实验设备与方法

　　1. 1 热电测量

　　实验采用自制的热电测量装置测量器件的热电输出功率。该装置由电热加热部分、水冷部分、样品装夹部分、温度测量与控制部分、输出功率测试部分组成，如图 1 所示。

　　实验中控制高温端的温度并保持低温端冷却水的流速和冷却面积不变( 即保持恒定的散热条件) ，随高温端温度上升，低温端温度会自然升高，待高温端和低温端温度稳定后进行热电测试。

　　实验中用 FP93 可编程 PID 调节器控制高温端温度并显示高温端和低温端温度，用 UJ33a 型直流电位差计、标准热电偶、标准电阻等校准热电偶、数字毫伏表和数字毫安表。实验中将毫安表与可变负载串联后，再与毫伏表并联，最后与热电器件连接形成测量回路，其中可变负载范围为 0. 5～ 15 Ω，毫伏表和毫安表的量程依次为 200 mV 和200 mA。