Bir termoelektrik malzeme her iki termal ve elektrik etkileri içine alan bir devre üzerinde, ısı enerjisini elektrik enerjisine veya elektrik enerjisini ısıya dönüĢtüren modüllerdir.
Termoelektrik malzemeler katı halde bulunmakta olup güvenilir, hafif, küçük, sessiz ve ucuzdurlar. Bu gibi özelliklerinden dolayı oldukça avantajlıdırlar (Adams, 2001).
Termoelektrik sistemler bir doğru akım (DC-Direct Current) güç kaynağı tarafından 200.000 saat aralıksız çalıĢtırılabilen sistemlerdir. Termoelektrik malzemeler genelde sıcaklık ölçümü için veya elektriksel güç üretimi için kullanılırlar (Adams, 2001).
Onlarca termoelement, termal olarak paralel, elektriksel olarak seri bağlanarak farklı amaçlar için çeĢitli büyüklüklerde termoelektrik modüller elde edilebilmektedir. Termoelektrik modüller, hareketli parçası olmayan küçük birer ısı pompasıdırlar. Termoelektrik modüller genelde alan sınırlamasının mevcut olduğu, güvenilirliğin
önemli olduğu ve zararlı soğutucu gazların kullanılmasının istenmediği durumlarda tercih edilirler (Yavuz ve ark., 2006).
Termoelektrik cihazlarda ısıyı malzemenin bir tarafından diğer tarafına iletebilen taĢıyıcı yük akıĢı mevcuttur. Malzemelerde ısı akıĢının akıma oranı, Peltier etkisi (P) olarak bilinir. Peltier etkisi ile Seebeck etkisi (S) yakından iliĢkilidir. Seebeck ve Peltier etkileri arasında kurulan iliĢki Thompson etkisini (T) ortaya çıkarmıĢtır. Bu üç etki birbirine Denklem (3.10)‟da görülen basit bir eĢitlik ile bağlıdır.
S=P/T (3.10)
Isı, katıya uygulandığı zaman, ters yöndeki elektrik alanla birleĢir ve Seebeck etkisi oluĢur. Uygulanan sıcaklık baĢına ortaya çıkan gerilim, Seebeck etkisi olarak tanımlanır. Birimi, birim derecede volt (V/°C), birim derecede mikrovolt (µV/°C) veya literatürde en çok kullanılan haliyle birim kelvinde mikrovolt (µV/K) cinsindendir. Metal ısıl çiftler birim sıcaklık baĢına onlarca mikrovolt üretirler. Son zamanlarda yüzlerce volt üretebilen ve kullanılabilir, elektrik güç oluĢturabilen malzemelerin geliĢimi ile bu alandaki geliĢmeler büyük bir hız kazanmıĢtır.
Termoelektrik malzemelerde yüksek verimliliğe ulaĢabilmek için, malzemenin her iki ucu arasında yüksek sıcaklık farkı sağlamak amacıyla gerekli olan düĢük ısıl iletkenliğe; malzemenin iç direnci azaltmak için gerekli olan yüksek elektriksel iletkenliğe ve yüksek voltaj elde etmek için gerekli olan yüksek Seebeck katsayısına ihtiyaç vardır.
Metaller düĢük Seebeck katsayıları nedeniyle yetersiz termoelektrik malzemeler olarak bilinmektedirler. Çünkü metallerin ısıl iletkenliklerinin artmasıyla elektriksel iletkenlikleri de artar. En iyi termoelektrik malzemeler metaller ve yalıtkanlar arasında olanlardır. Yarı iletken malzemelerin elektriksel özellikleri sıcaklıkla değiĢebilmektedir. Yarı iletkenler, her yarı iletken için çeĢitlilik gösteren sıcaklık aralıklarında termoelektriksel malzeme olarak görev yaparlar (Bansal ve Martin, 2000).
Bir malzemenin termoelektrik uygulamalar için uygun materyal olup olmadığını, baĢarım ölçütü (figure of merit) olan ZT parametresi belirler. Termoelektrik malzemeyi karakterize eden ZT parametresi; ölçülebilir nicelikler olan elektriksel iletkenliğe (ζ), Seebeck katsayısına (S) ve ısıl iletkenliğe (k) bağlıdır. ZT parametresi Denklem (3.11) kullanılarak hesaplanır. Burada T, ölçümün yapıldığı Kelvin cinsinden sıcaklıktır.
T (3.11)
Yukarıda verilen bağıntıdan termoelektrik olarak yüksek verime sahip bir termoelektrik numunenin, yüksek Seebeck katsayısı ile elektriksel iletkenliğe ve düĢük ısıl iletkenliğe sahip olması gerektiği anlaĢılmaktadır. Isıl iletkenlik değerini düĢürmenin çeĢitli yöntemleri mevcuttur, bunlardan bazıları; baĢka bir element katkısı yapmak, yer değiĢimli katı çözelti oluĢumu, amorfizasyon, nanogözenek ve ikinci faz uygulamasıdır (Koumoto ve ark., 2006). Elektriksel iletkenliği artırmak için ise malzemeyi nanoboyuta indirgemek, elektriksel iletkenliği arttırıcı bir element katkısı yapmak ve uygun kafes yapısının oluĢumunu sağlamak en önemli hususlar olarak verilebilir. Kafes yapısında boĢluk ne kadar az ise ve belirli bir atoma temas eden atomların sayısı, yani koordinasyon sayısı, ne kadar fazla ise elektrik iletimi o kadar iyi olacaktır. YMK kefesin birim hücresinde toplam dört adet atom bulunmaktadır. HMK kafesinin birim hücresinde ise bu sayı ikidir. Koordinasyon sayısı, atomların nasıl sıkı ve yoğun bir Ģekilde paketlendiğini göstermektedir. HMK yapının koordinasyon sayısı sekizken, YMK yapının koordinasyon sayısı 12‟dir. Atomik Dolgu Faktörü (ADF) de bize birim hücredeki doluluk oranını gösterir. ADF, YMK yapılar için 0.74; HMK yapılar için ise 0.68‟dir. Buraya kadar anlatılanlardan birim hacimdeki doluluk oranın ve diğer atomlarla temas halinde bulunan atom sayısının daha fazla olduğu yapının, YMK yapı olduğu anlaĢılmaktadır. Bu sebeplerden dolayı YMK yapılarda elektrik iletiminin daha iyi olduğu söylenebilir.
Bilinen termoelektrik malzemeler iĢlem sıcaklık sınırlarına bağlı olarak üç kısma ayrılırlar. ve alaĢımları en yüksek baĢarım ölçütüne sahip olarak bilinmektedirler ve genellikle soğutma sistemlerinde kullanılmaktadırlar. , soğutucu cihazlarda en çok kullanılan yarı iletken malzemedir. PbTe, Bi-Sb‟den sonra en yaygın kullanılan malzeme olarak güç üreticisinde kullanılır. Ancak soğutucu aletlerdeki kadar etkili değildir (Anonim, 2012). Bu malzemelere ek olarak ġekil 3.10‟da bazı metal bazlı malzemeler için ZT‟nin sıcaklık ile değiĢimi gösterilmektedir.
ġekil 3.10. Bazı metal bazlı malzemeler için baĢarım ölçütünün sıcaklık ile değiĢimi (Ohta ve ark., 2008) Oksit malzemeler, toksik etkilerinin olmaması, termal stabiliteleri, yüksek oksitlenme dirençleri, kolay üretilebilir olmaları, düĢük maiyetleri vb. gibi birçok avantajlarından dolayı termoelektrik uygulamalar için gelecek vaat etmektedir (Koumoto ve ark., 2006). Son zamanlarda oksit termoelektrik malzemelere yönelik çalıĢmalarda artıĢ gözlemlenmektedir.
Termoelektrik konusu 1950‟lerden sonra, termoelektrik malzemelerin davranıĢlarının anlaĢılmasından ve yüksek derecede katkılanmıĢ yarı iletkenlerin iyi termoelektrik özellikler göstermesinin keĢfinden sonra hızlı bir geliĢim sürecine girmiĢtir.
Termoelektrik endüstrisinin ilk ürünlerinden biri malzemesidir. 1960- 1990 arasında “ZT” değerini artırmaya yönelik çalıĢmalarda en fazla alaĢımları üzerinde durulmuĢtur. Günümüzde, değiĢik
uygulamalarda kullanılan birçok farklı malzeme grubu vardır.
Daha önce de belirtildiği gibi verimliliği artırmak için elektriksel iletkenliği artırmak, termal iletkenliği düĢürmek gereklidir. Normal 3 boyutlu düzlem ve sistemlerde genellikle bu iki özellik beraber davranmakta, beraber azalmakta veya artmaktadır. Tek düzleme ve nano mertebelerine inerek bu özellikleri birbirinden bağımsız hale getirmeye yönelik çalıĢmalar son yıllarda sıklaĢmıĢtır. Bu alanda en çok gelecek vadeden çözüm nano kompozit üretimidir. Nano kompozit üretimiyle hem termal iletkenliği düĢürmek hem de elektriksel iletkenliği artırmak mümkün olabilmektedir. ġekil 3.11‟de silisyumun ısıl iletkenliğin, parçacık boyutuyla değiĢimine
ait grafik görülmektedir (Dresselhau ve ark., 2005). Buna göre parçacık boyutunun azalması ile ısıl iletkenlikte de belirgin bir düĢüĢ gözlemlenmektedir.
ġekil 3.11. Si-Ge nanokompoziti içerisindeki Si‟nin hacimsel fraksiyonu ve parçacık boyutu ile Si-Ge nanokompozitinin ısıl iletkenliği arasındaki iliĢki (Dresselhaus ve ark., 2005)