بخشی از مقاله
واژههاي کلیدي: توان ترموالکتریکی ، پشتهسازي، پتانسیل درون ساخت، پیوند p-n
چکیده
در این مقاله روش جدیدي به منظور تولید توان ترموالکتریکی با استفاده از یک پیوند p-n با مساحت زیاد، مورد بررسی قرار گرفته است. درافزاره ترموالکتریک در امتداد طول ساختار افزاره گرادیان دمایی اعمال می شود. زوج الکترون-حفره تولید شده در اثر گرما، با افت پتانسیل درون ساخت پیوند1، که ناشی از اعمال این گرادیان دمایی است از یکدیگر جدا میشوند . این امر سبب جاري شدن جریانی از هر دو حامل، از طرف گرم به سوي طرف سرد می شود. با به کارگیري اتصالهاي انتخابی بر روي دو لایه n و p این جریان را به یک بار خروجی انتقال دادیم تا بدین صورت یک مبدل تولید توان ترموالکتریکی ایجاد نماییم. شبیهسازي انجام شده در این مقاله با استفاده از شبیهساز صنعتی Silvaco که شامل مدلهاي بسیار دقیق میباشد صورت پذیرفته است. نتایج بدست آمده از تغییر نوع ماده بکار رفته در ساخت این افزاره و همچنین تغییر در شکل اعمال گرادیان دمایی، حاکی از بهبود قابل توجه توان تولید شده، نسبت به حالت اولیه میباشد. حداکثر توان تولید شده توسط یک المان 87/25 میلی وات میباشد که میتوان با پشتهسازي2 این المانها به یکدیگر یک ژنراتور ترموالکتریکی ساخت.
مقدمه :
با افزایش جمعیت کره زمین از یک طرف و کاهش منابع انرژي فسیلی از طرف دیگر، توجه بشر به یافتن منابع انرژي جایگزین براي تولید انرژي جلب شده است. یکی از فناوري هایی که در چند دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است، فناوري تولید انرژي ترموالکتریکی میباشد. این فناوري در عین سادگی و کم هزینه بودن میتواند جایگزین مناسبی براي بسیاري از روشهاي مرسوم تولید انرژي الکتریکی، تولید حرارت و خنک سازي تلقی گردد. از آنجا که معمولا بخش عمدهاي از انرژي به صورت گرما تلف می شود یافتن روشهاي نوین براي تولید انرژي الکتریکی از این تلفات مسئلهاي مهم تلقی می شود . روشهایی که به وسیله ي آنها گرماي زیاد بی مصرف مربوط به خودروها، ماشین آلات و نیروگاه هاي برق را تحت کنترل در آورده و از این طریق سبب کاهش مصرف سوخت آن ها شوند. به عنوان مثال می توان از گرماي گاز خروجی اگزوز خودرو استفاده کرد و آن را به انرژي الکتریکی تبدیل نمود.
سپس با تزریق این انرژي به سیستم الکترونیکی خودرو بخشی از نیاز انرژي مصرفی خودرو را بر آورده نمود . این ترفند همچنین باعث کاهش انتشار گاز CO2 تولید شده توسط موتور خودرو می گردد . براي دستیابی به این هدف ، به افزارههاي ترموالکتریکی و به تبع آن به مواد نیمههادي که براي استفاده درمحدوده وسیعی از دما مناسب باشند، نیاز داریم. علاوه بر این ایدههاي گوناگونی از قبیل heterostructures ,nanowires و superlattics که از مواد جدید و بسیار پیچیدهاي استفاده میکنند تاکنون مورد بررسی قرارگرفته است[1] ولی به جهت راندمان پایین و هزینه بالاي تولید، هیچ کدام از آنها براي کاربردهاي وسیع اقتصادي مناسب نبودهاند.
دراین مقاله روش جدیدي براي تولید توان ترموالکتریکی با استفاده از یک پیوند p-n با مساحت زیاد ارائه شده است - شکل. - 1-1 این روش بر پایه ایده تولید حرارتی زوج الکترون-حفره به وسیله افت پتانسیل درون ساخت در پیوند p-n میباشد. مزیت عمده این روش این است که میتوان، بر همبستگی بسیار قوي موجود بین مشخصات الکتریکی و حرارتی تا حدودي غلبه نمود. تولید زوج الکترون-حفره و همچنین انتقال حاملها ممکن است بطور کاملا مجزا صورت پذیرند. این امر امکان بهینهسازي تولید توان ترموالکتریک را فراهم میآورد. با توجه به رابطه موجود بین پهناي باند و دما - رابطه - 1-1، دماي بالاتر T1 در ناحیه گرم منجر به کاهش اختلاف انرژي از لایه n به لایه - E1 - p در مقایسه با اختلاف انرژي از لایه n به چون هر دو حامل الکترون و حفره، در جهت مشابه از طرف گرم پیوند به سمت سرد حرکت میکنند بنابراین ناحیه گرم از حاملها تخلیه میگردد و در نتیجه تعادل دمایی محلی در این ناحیه بر هم میخورد. از طرفی بنا بر اصل توازن تولید و بازترکیب تولید در ناحیه گرم به منظور جبران حاملهاي منتقل شده افزایش مییابد.
در ناحیه سرد، عکس این پدیده اتفاق میافتد یعنی حاملهاي وارد شده به این ناحیه بازترکیب را افزایش میدهند که تاثیر این امر در شبکه، یک جریان الکتریکی چرخشی در پیوند p-n از ناحیه گرم به سوي طرف سرد میباشد. با انتخاب ترکیب مناسبی براي اتصالها بر روي هر دو لایه p و n میتوان این جریان چرخشی را به یک بار خروجی منتقل نمود و از این طریق منبع توانی ایجاد نمود. چون این عناصر تنها از یک نوع ماده ساخته شدهاند میتوان از تنش مکانیکی موجود در المانهایی که از چند نوع ماده مختلف تشکیل شدهاند اجتناب نمود و همچنین میتوان از تنشهاي مخرب ناشی از چرخه حرارتی در این مواد دوري جست. با استفاده از مواد نیمههادي با پهناي نوار انرژي زیاد حتی در دماهاي بسیار بالا - بالاي 1000 درجه سیلسیوس -
میتوان از این افزارهها براي تولید توان ترموالکتریکی استفاده اتصال هاي الکتریکی در طرف سرد بر روي لایههاي n وp نمود. ماژولهاي ترموالکتریکی از طریق پشتهسازي عناصر قرار میگیرند سپس گرادیان دمایی خطی در طول پیوند از ترموالکتریکی به نحوي که این المانها از نظر حرارتی به طرف راست - طرف گرم - x=20mm تا طرف چپ پیوند شکل موازي و از لحاظ الکتریکی به شکل سري قرار گیرند - طرف سرد - x=0 اعمال شده است - شکل . - 4-1 ساخته میشوند - .[2]شکل - 3-1 این تفکر ما را به استفاده از ساختارهاي لایهاي مشابه سلولهاي خورشیدي به عنوان عنصر ترموالکتریکی هدایت مینماید .[3] بعلاوه از این ایده میتوان براي بالا بردن راندمان سلولهاي خورشیدي با استفاده از توزیع دمایی غیریکنواخت استفاده نمود.
محیط شبیهسازي افزاره:
از محیط شبیهساز [4] Atlas در نرم افزار Silvaco که امکان شبیهسازي رفتار حرارتی ، الکتریکی و نوري ادوات نیمههادي را فراهم میسازد استفاده نمودهایم. در این محیط علاوه بر امکان استفاده آسان از این شبیهساز، قابلیت تحلیل فیزیکی ساختارها بر پایه مدل هاي متنوع موجود، مقیاسبندي دقیق، آنالیز DC ، AC و پاسخ زمانی براي کلیه فناوريهاي مرتبط با ادوات نیمههادي در حالتهاي دوبعدي و سه- شکل 4- 1 اعمال گرادیان دمایی خطی در طول پیوند بعدي فراهم شده است.
مراحل شبیهسازي:
در این بررسی یک پیوند p-n شامل دو لایه سیلیسیم نوع nو p که با تراکم 1019 بر سانتیمتر مکعب آلاییده شدهاند در نظر گرفته شده است . طول افزاره 20 میلیمتر ، عرض آن 10 میلیمتر و ضخامت هر کدام از لایهها 1/2 میلیمتر میباشد. تاثیر اعمال این گرادیان بر روي پتانسیل الکترواستاتیکی پیوند در شکل 5-1 نشان داده شده است. همانگونه که انتظار میرود اعمال دما سبب افت پتانسیل الکترواستاتیکی پیوند در طرف گرم شده است. این اختلاف پتانسیل بین طرف گرم و سرد سبب انتقال حاملهاي تولید شده به سوي ناحیه سرد افزاره میگردد. بدین صورت ناحیه گرم از هر دو نوع حامل الکترون و حفره تخلیه گردیده و در نتیجه تعادل دمایی محلی در این ناحیه بر هم میخورد. از طرفی بنا بر اصل توازن تولید و بازترکیب تولید در ناحیه گرم به منظور جبران حاملهاي منتقل شده افزایش مییابد ولی در ناحیه سرد حاملهاي وارد شده به این ناحیه سبب افزایش بازترکیب میشوند . این پدیده سبب ایجاد نوعی جریان الکتریکی چرخشی در پیوند p-n از ناحیه گرم به سوي ناحیه سرد میشوند. به منظور استفاده از این جریان باید ساختار استفاده شده را در یک مدار الکتریکی قرار دهیم و با اتصال یک مقاومت خارجی به دو سر اتصالها مقدار جریان خروجی افزاره را اندازهگیري
