Peltier' element

Peltier’ elemendid märgistatakse kirjega, mis iseloomustab sisalduvate pooljuhipaaride arvu ja töökeskkonna tingimusi

Peltier' element on termoelektriline pooljuht-element, mis tänu Peltier' efektile võimaldab elemendiga termilises kontaktis olevat objekti jahutada või soojendada, vastavalt elementi läbiva elektrivoolu polaarsusele. Tänu Peltier’ efekti pöördnähtusele – Seebecki efektile – on võimalik kasutada Peltier' elementi ka termoandurina või elektrigeneraatorina.

Tööpõhimõte

Välismõjuta juhis liiguvad laengukandjad juhuslikult. Temperatuurikõikumiste tõttu on osadel laengukandjatel kineetiline energia suurem ning osadel väiksem laengukandjate keskmisest kineetilisest energiast. Kuni elemendi otsad on samal temperatuuril ning neile ei ole rakendatud elektripinget, keskmistub laengukandjate liikumine välja ning keskmine elektrivool juhis on 0. Vool tekib, kui elemendile rakendatakse pinge (Ohmi seadus) või tekitatakse temperatuuride erinevus (Seebecki efekt).

Kõrgema keemilise potentsiaaliga otsas kasvab laengukandjate kontsentratsioon kõrgematel energiatasemetel. Energia kasvades liigub osa laengukandjaid elemendil piirkondadesse, kus vastaval energiatasemel on laengukandjate kontsentratsioon madalam. Osa liikuvate laengukandjate energiast hajub naabruses asetsevatele laengukandjatele. Kõrgetel energiatasemetel vabanenud kohad täituvad uute osakestega, mis on energiat juurde saanud. Toimub laengukandjate liikumine madalama keemilise potentsiaaliga piirkondadesse materjalis.

Kui elemendi otstele ei ole rakendatud pinget (ühtlane keemiline potentsiaal), kuid elemendi otsad on eri temperatuuridel, siis on soojemas otsas laengukandjate energia kõrgem. Elemendi soojemas otsas on kõrgematel energiatasemetel asustatus tihedam ning madalamatel energiatasemetel asustatus hõredam kui elemendi jahedamas otsas. Suurema energiaga laengukandjad triivivad elemendi jahedamasse otsa, aidates kaasa entroopia kasvule. Samuti suurendab entroopiat madalama energiaga laengukandjate liikumine elemendi soojemasse otsa. Et kõrgema ja madalama energiaga laengukandjate liikumised toimuvad üksteise suhtes vastassuunas, siis erineb kogu voolutugevus nullist vaid juhul kui laengukandjate triiv on ühes suunas kiirem. Kogu voolutugevus avaldub $\scriptstyle \mathbf {J} =\sigma S{\boldsymbol {\nabla }}T$, kus termoelektriline koefitsient $\scriptstyle \sigma S$ iseloomustab juhtivuse erinevust kõrge energiaga ja madala energiaga laengukandjate korral. Sõltuvalt laengukandjate energiast võivad erineda nende kiirused, hajumine materjalis, energiatasemete asustatuse tihedus või kõik kokku.

Nähtust, kus temperatuuride erinevus põhjustab elektripinge tekke, nimetatakse Seebecki efektiks. Kui vabad laengukandjad on positiivse laenguga (P-tüüpi pooljuht), siis koguneb positiivne laeng elemendi külmale küljele, mis omandab seetõttu positiivse potentsiaali. Kui vabad laengukandjad on negatiivsed (N-tüüpi pooljuht), siis omandab elemendi külm külg negatiivse potentsiaali. Seebecki efektist tingitud elektripinge $U$ avaldub järgmiselt:

Seebecki efektist tingitud laengukandjate liikumine

$U=\alpha \Delta T$,

kus $\Delta T$ on temperatuuride erinevus ja $\alpha$ on Seebecki koefitsient.

Termoelektriline generaator

Ühendades N- ja P-tüüpi pooljuhtide kuumad otsad elektriliselt ja lisades koormuse külmade otste vahele, tekib tänu Seebecki efektile ahelas elektrivool. Temperatuuride vahe põhjustab elektripinge ning soojusliikumine võimaldab elektrivoolu tekke.

Termoelektriline generaator on pingeallikas, mille sisetakistus tuleneb termoelektrilise materjali takistusest. Vastavalt Ohmi seadusele ($\scriptstyle U=IR$) on pingeallika sisetakistuse tõttu pinge koormisel väiksem kui pinge avatud vooluringi korral. Efektiivsus on maksimaalne, kui koormise takistus ühtib pingeallika sisetakistusega.

Peltier’ element termoelektrilise generaatorina

Elektripinge

Elektripinge koormisel avaldub kujul:

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

kus $U$ on pinge koormisel, $I$ on voolutugevus, $R_{TE}$ on generaatori sisetakistus, $\alpha$ on Seebecki koefitsient ja $\Delta T$ on temperatuuride vahe.

Sisetakistus

Termoelektrilise elemendi takistus $R_{i}$ sõltub elemendi eritakistusest $\rho _{i}$, pikkusest $l$ ja ristlõikepindalast $A_{i}$:

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

Võimsus

Seose $\scriptstyle P=U^{2}/R$ põhjal avaldub termoelektrilise generaatori võimsus järgmiselt:

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

kus $A_{TE}$ on termoelektriliste elementide kogupindala.

Efektiivsus

Generaatori efektiivsus sõltub lisaks võimsusele ka sisendsoojusest seadme kuumal küljel. Sisendsoojus kulub termoelektrilise protsessi (Peltier’ efekt) käigus, kuid osa soojusest hajub generaatori soojusjuhtivuse tõttu (Fourier' seadus) ning osa kulub generaatori enda takistusliku soojuseralduse ületamiseks. Termoelektriliste materjalide soojusjuhtivuse tõttu lekib osa soojust soojemalt küljelt külmemale, mis langetab termoelektrilise generaatori efektiivsust.

Termoelektrilisest materjalist tingitud efektiivsust kirjeldavad soojusmasina kasutegur ja elektrotermiline kasutegur. Soojusmasina kasutegur on piiratud Carnot' tsükli efektiivsusega. Elektrotermiline kasutegur sõltub termoelektrilise materjali Seebecki koefitsiendist, elektri- ja soojusjuhtivusest. Väikese temperatuuride erinevuse korral avaldub maksimaalne efektiivsus järgmiselt:

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

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

kus $\rho$ on elektriline takistus, $\kappa$ soojusjuhtivus, $zT$ termoelektriline kasutegur ja ${\frac {\Delta T}{T_{h}}}$ on soojusmasina kasutegur.

Rakendusi

Seebecki efekt võimaldab kasutada Peltier’ elemente elektrigeneraatorina. Element toimib nagu soojusmasin, kuid ei sisalda liikuvaid osi ja seda on lihtsam väiksemaks skaleerida. Samas on Peltier’ element aga kallim ja vähem efektiivne kui tüüpiline soojusmasin.

Peltier’ elemente kasutatakse elektrijaamades heitsoojuse elektriks muundamisel ja autodes kütuse efektiivsuse tõstmisel. Kosmosesondides kasutatakse termoelektrilisi generaatoreid, et muundada radioaktiivsete isotoopide lagunemisel eralduv soojusenergia elektrienergiaks.

Inimkeha toodab paigal istudes 116 W, mis on piisav, et toita leedlampi või sülearvutit. Termoelektrilisi generaatoreid kasutatakse ka elektriliste stimulaatorite (nt südamerütmur) ja tehisorganite toitmiseks.

Mikroprotsessorite transistoritiheduse kasvades kasvab ka pinnaühiku kohta eralduv soojusenergia, millest osa on võimalik uuesti muundada elektrienergiaks. Operatsioonisüsteemi Windows XP jooksutava 2,4 GHz taktsagedusega Intel Pentium 4 protsessori heitsoojusest on saadud kuni 3,729 V ja 11,9 mA, kasutades protsessorile kinnitatud termoelektrilist generaatorit kasuteguriga $zT=0,72$.

Peltier’ jahutus

Rakendades Peltier’ elemendile välise elektrilise potentsiaali, saame suunata laengukandjate liikumist ning sundida soojust kanduma ühelt küljelt teisele. Mida rohkem soojust peab Peltier’ jahuti ära juhtima, seda vähem efektiivne ta on, sest suurenenud voolutarbe tõttu eraldub ka elemendis eneses rohkem soojust. Peltier’ elemendi soojemale küljele juhitav soojushulk $Q$ on võrdeline voolutugevusega $I$:

Peltier’ element termoelektrilise jahuti või soojendina

$Q=PI$,

kus $P$ on Peltier’ koefitsient. Peltier’ koefitsient sõltub temperatuurist ja elemendi koostismaterjalidest.

Termoelektriline jahutus on umbes 4 korda vähem efektiivne (10–15% ideaalse Carnot' ringprotsessi efektiivsusest) kui jahutus traditsioonilise kompressioonitsüklitega soojusmasina abil (40–60% ideaalse Carnot' tsükli efektiivsusest).

Eeliseid

• Ei ole liikuvaid osi.
• Ei vaja freoone.
• Võimaldab temperatuuri juhtida kraadi murdosa täpsusega.
• Kuju ja mõõtmed vastavalt vajadusele.
• Pikk eluiga (üle 100 000 tunni).
• Tüüritav pinge või voolu abil.

Puudusi

• Eraldatav soojusvoog on piiratud.
• Vähem efektiivne kui auru veeldamise meetodil jahutamine.

Efektiivsus

Termoelektriliste jahutite efektiivsust võrreldakse maksimaalse tekitatava temperatuuride erinevuse järgi. Maksimaalne tekitatav temperatuuride vahe sõltub termoelektrilisest kasutegurist järgmiselt:

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

kus $T_{s}$ on substraadi temperatuur ja $T_{c}$ on jahutatava otsa temperatuur.

Ehitus

Peltier’ elemendi siseehitus

Peltier’ element koosneb omavahel ühendatud erineva elektronide tihedusega N- ja P- tüüpi pooljuhtidest. Pooljuhid on omavahel soojuslikult rööbiti ühendatud ning kontaktis kahel küljel oleva soojusjuht-plaadiga. Elektriliselt on pooljuhid omavahel ühendatud jadamisi. Rakendades pinge otsmiste pooljuhtide küljes olevatele elektrikontaktidele, läbib pooljuhte alalisvool, mis põhjustab temperatuuride erinevuse kahe soojusjuht-plaadi vahel. Külm külg neelab soojust ning kannab selle kuumale küljele, mille külge ühendatakse tavaliselt radiaatorjahutus.

Suurendamaks jahutusvõimet, moodustatakse elemente üksteise otsa ladudes mitmekihilisi jahutusseadmeid, mille jahutusvõime on proportsionaalne kokku ühendatud elementide arvuga.

Materjalid

Suur termoelektrilise võimsuskordajaga materjal peab olema suure termoelektrilise kasuteguriga $zT$, omama suurt Seebecki koefitsienti (laengukandjatest vaesunud pooljuhid või dielektrikud) ning olema hea elektrijuht (kõrge laengukandjate kontsentratsiooniga metallid). Saavutamaks suurt summaarset Seebecki efekti, peaks materjal sisaldama vaid üht tüüpi laengukandjaid. Mõlema, nii N- kui P-tüüpi juhtivuse kasutamine põhjustab vastandsuunalisi Seebecki efekte ja madalat termoelektrilist võimsust (ingl. k. low thermopower). Headeks termoelektrilisteks materjalideks loetakse tugevalt dopeeritud pooljuhte laengukandjate kontsentratsiooniga vahemikus $10^{19}..10^{21}laengukandjat/cm^{3}$.

Eri tüüpi materjalide termoelektrilised omadused. Seebecki koefitsient on esindatud absoluutväärtusena. Laengukandjate kontsentratsioon on logaritmilises skaalas

Piisavalt laia keelutsooni korral on võimalik N- ja P-tüüpi laengukandjad eraldada nii, et dopeerides saame üht tüüpi laengukandjatega materjali. Samas peab keelutsoon olema aga piisavalt kitsas, et tagada laengukandjate suur mobiilsus ja seega hea elektriline juhtivus.

Hea termoelektriline materjal on ka halb soojusjuht. Soojusjuhtivusele panustavad nii kristallstruktuuris levivad foononid kui ka elektronid või augud. Soojusjuhtivust on võimalik vähendada, rikkudes struktuuri korrapära, lisades raskeid aatomeid, tekitades aatomite klastreid ning kasutades suure ühikrakuga materjale.

Termoelektriliste materjalide omadusi:

• kitsa keelutsooniga pooljuhid (võimaldamaks kasutust toatemperatuuril)
• rasked elemendid (laengute hea liikuvus, madal soojusjuhtivus)
• suur kompleksse struktuuriga ühikrakk
• tugevalt anisotroopne või tugevalt sümmeetriline
• kompleksne kompositsioon

Termoelektriliste pooljuhtidena kasutatakse vismuti telluriidi, plii telluriidi, räni-germaaniumit ning vismuti ja antimoni sulameid. Eelnimetatutest on vismuti telluriid kõige levinum.

Integreeritud Peltier’ elemendid

Transversaalne Peltier’ element

Mikrokontrollerite töö käigus tekivad kõrgema temperatuuriga piirkonnad ning temperatuurist sõltuvate lekkevoolude tõttu mikrokontrollerite voolutarve kasvab. Jahutuselementide ja soojushajutite integreerimine võib aidata langetada mikrokontrolleri voolutarvet. Jahutada on võimalik kogu mikrokontrolleri pinda või, kasutades integreeritud Peltier’ elemente, kindlaid piirkondi mikrokontrolleris. Jahutades vaid kuumemaid piirkondi, on võimalik vältida mikroskeemi jahedamate piirkondade alajahutust ning hoida kokku jahutamisele kuluvat elektrienergiat.

Transversaalsetes Peltier’ elementides on p- ja n- pooljuhid laotud üksteise peale. Tänu sellele, et kuum ja külm külg on võimalik viia üksteisele väga lähedale (kuni $\scriptstyle \approx 2-5\mu m$) ning et elemendi saab tekitada suure ristlõikepindalaga, on võimalik kiiresti teisaldada suuri soojushulkasid. Transversaalsete elementide heast soojusjuhtivusest tingituna on nad aga keskkonna temperatuurikõikumiste suhtes väga tundlikud ning ei sobi temperatuuri stabiliseerimiseks. Elektriliste kontaktide paigutamisel tuleb arvestada ka nende soojusjuhtivust, mis võib elemendi efektiivsust märkimisväärselt kahandada.

Lateraalne Peltier’ element

Lateraalsetes Peltier’ elementides on elektrivoolu ja soojusliikumise jaoks vaid üks tee elemendi külmalt küljelt kuumale. Võrreldes transversaalsete elementidega, pakuvad lateraalsed elemendid seega stabiilsemat ja kergemini ennustatavat temperatuuride vahet kuuma ja külma külje vahel. Lateraalsed elemendid on ka väiksema soojusjuhtivusega, tänu millele ei ole nad niivõrd tundlikud keskkonna temperatuuri kõikumiste suhtes. Kuid külma ja kuuma külge ei saa viia üksteisele nii lähedale kui seda on võimalik transversaalsetel elementidel, mistõttu on lateraalsetes elementides külgede vaheline elektriline takistus on suurem. Suurema elektritakistuse tõttu on teisaldatav soojushulk piiratud. Kuigi ka lateraalseid Peltier’ elemente üksteise otsa ladudes on võimalik jahutusvõimsust tõsta, teeb see tootmisprotsessi ebapraktiliselt keeruliseks.

Mikrokiipidesse integreeritud Peltier’ elemente kasutatakse kastepunkti andurites, temperatuuri stabiliseerimiseks optilistes sensorites ja kiirgusandurite tugipingeallikates.

Lateraalse termopatarei tootmisetapid

Üks paljudest võimalikest lateraalsete Peltier’ elementide tootmisprotseduuridest.

1. Nitriidi sadestamine. Mõlemale poole ränidioksiidist pooljuhtplaati kantakse keemilise aurufaas-sadestamisega kiht räninitriidi. Pealmine räninitriidi kiht on vajalik aluselise söövitusprotsessi peatamiseks. Alumist räninitriidi kihti kasutatakse söövitamise maskina.
2. Polükristalse räni-germaaniumi kihi kasvatamine. Termoelektrilise materjali $>{\text{polySi}}_{0,7}>{\text{Ge}}_{0,3}$ kasvatamine otse räninitriidi pinnale on keerukas (tingitud räninitriidi sadestamisel kasutatud kloori ühenditest). Räninitriidi pinnale kantakse keemilise aurufaas-sadestamisega $polySi$ nukleatsioonikiht, millele kasvatatakse epitaksiaalselt ${\text{polySi}}_{0,7}>{\text{Ge}}_{0,3}$. Termoelektriline materjal dopeeritakse ning lõigatakse anisotroopse plasmasöövitusega.
3. Oksiidi sadestamine. Ränidioksiidi keemilise aurufaas-sadestamise käigus kasutatakse tetraetüülortosilikaati (TEOS).
4. Lõõmutamine. Pärast ränidioksiidi sadestamist lõõmutatakse pooljuhtplaati polükristalse räni-germaaniumi ümber-kristalliseerimiseks. Lõõmutamine aitab aktiveerida dopeeritud aatomid, vähendada mehaanilisi pingeid termoelektrilises materjalis ning tõsta räni dioksiidi kihi tihedust.
5. Metalliseerimine. Ioonsöövitusega tekitatakse ränidioksiidi sisse augud elektriliste kontaktide tarbeks. ${\text{Al}}_{0.99}{\text{Si}}_{0.01}$ kantakse pooljuhtplaadile, misjärel lõigatakse seda ioonsöövitusega.
6. Läbiv söövitus. Esmalt söövitatakse kaaliumhüdroksiidiga läbi pooljuhtplaadi kuni pealmise räninitriidi kihini. Seejärel lõigatakse läbi membraani, kasutades reaktiivset ioonsöövitust (ingl. k. RIE).

Vaata ka

• Termoelektriline efekt
• Soojuspump

Välislingid

• Caltech Materials Science – Thermoelectrics