《溫差電器件發(fā)電性能測(cè)試方法》編制說(shuō)明

溫差電器件發(fā)電性能測(cè)試方法

1目的意義

基于澤貝克（Seebeck）效應(yīng)的溫差發(fā)電（ThermoelectricGenerator）是一種

將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的環(huán)境友好型能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有全固態(tài)、工作無(wú)噪音、

無(wú)排放等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于航天（特種電源）、工業(yè)節(jié)能減排（低品位余廢熱回

收）、太陽(yáng)光綜合利用（光熱發(fā)電）、分布式自供給電源（無(wú)線傳感、物聯(lián)網(wǎng)等）

等領(lǐng)域。近年來(lái)，我國(guó)溫差發(fā)電材料和器件技術(shù)發(fā)展迅速，整體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先

進(jìn)，部分領(lǐng)域國(guó)際領(lǐng)先，溫差電器件先后在我國(guó)航天（同位素溫差電池）、汽車

（尾氣余熱回收）、鋼鐵（低溫余熱發(fā)電）、太陽(yáng)能（光電-溫差電復(fù)合發(fā)電）等領(lǐng)

域獲得應(yīng)用。隨著我國(guó)航天、國(guó)防、工業(yè)等領(lǐng)域的深入發(fā)展和對(duì)新能源技術(shù)的迫

切需求，溫差發(fā)電器件正處于加速發(fā)展期。但是，對(duì)溫差電器件的測(cè)量尚未形成

標(biāo)準(zhǔn)，很難對(duì)現(xiàn)有的溫差電材料和器件作出統(tǒng)一的評(píng)價(jià)，不同國(guó)家、不同機(jī)構(gòu)（包

括學(xué)術(shù)界和工業(yè)界）報(bào)道的溫差發(fā)電材料和器件的性能已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重分歧。例

如：工業(yè)界對(duì)學(xué)術(shù)界報(bào)道的溫差發(fā)電材料和器件性能存在質(zhì)疑，部分學(xué)術(shù)論文報(bào)

道的數(shù)據(jù)無(wú)法被其他機(jī)構(gòu)重復(fù)，不同機(jī)構(gòu)對(duì)同一溫差發(fā)電材料或器件的性能測(cè)量

結(jié)果存在明顯不同，等等。由于缺乏相關(guān)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)威的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，這

些分歧無(wú)法進(jìn)行檢驗(yàn)或驗(yàn)證，這嚴(yán)重阻礙了溫差電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。無(wú)論在科

研領(lǐng)域，還是在應(yīng)用領(lǐng)域，溫差電器件的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化都是一項(xiàng)非常有意義的工作。

2010-2019年，國(guó)際能源署（InternationalEnergyAgency，IEA）交通運(yùn)輸先

進(jìn)材料合作項(xiàng)目（AdvancedMaterialsforTransportation,AMT）中，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)

家實(shí)驗(yàn)室（OakRadgeNationalLab.,ORNL）牽頭開(kāi)展了溫差發(fā)電材料和器件測(cè)

量方法的研究（中科院上海硅酸鹽研究所是國(guó)內(nèi)唯一參與單位）。工作組在全球

范圍內(nèi)組織了多個(gè)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了溫差發(fā)電材料和器件的多輪次比對(duì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了

測(cè)量誤差的主要來(lái)源，并提出了測(cè)量方法的改進(jìn)意見(jiàn)。但是，由于缺少資金和項(xiàng)

目支持，至今未能建立溫差發(fā)電材料和器件性能測(cè)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2預(yù)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

標(biāo)準(zhǔn)化是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，貫穿于產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用的全過(guò)程。標(biāo)準(zhǔn)

的制定和實(shí)施不僅可以縮短研制周期、節(jié)省研制經(jīng)費(fèi)，還可以提高科研成果的可

2

靠性和通用性，推動(dòng)科研成果的產(chǎn)業(yè)化，從而產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

在本標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施前，用戶一般要求研制的溫差電器件必須滿足指定的技

術(shù)指標(biāo)，驗(yàn)收時(shí)提交檢測(cè)報(bào)告。為了滿足用戶要求，在產(chǎn)品交付前，需要耗費(fèi)大

量時(shí)間編制溫差電器件性能測(cè)試大綱并進(jìn)行專家評(píng)審。本標(biāo)準(zhǔn)的建立為溫差電器

件性能測(cè)試和檢驗(yàn)提供了明確的依據(jù)和規(guī)范，提升了用戶對(duì)溫差電器件性能測(cè)試

的認(rèn)可度，可以節(jié)約測(cè)試、檢驗(yàn)和交付時(shí)間，進(jìn)而降低研制成本。另外，本標(biāo)準(zhǔn)

的建立保證了本研究所研制的溫差電器件質(zhì)量，有助于提高本研究所的信譽(yù)，促

進(jìn)本研究所與其他科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的合作，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。

標(biāo)準(zhǔn)的制定、頒布和不斷修訂的過(guò)程是隨著當(dāng)前技術(shù)水平而動(dòng)態(tài)變化的，標(biāo)

準(zhǔn)的制定反映當(dāng)前本研究所的科研技術(shù)水平，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施在很大程度上可以促進(jìn)

科研成果產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

3工作簡(jiǎn)況

3.1任務(wù)來(lái)源

隨著我國(guó)載人航天和探月工程的迅速發(fā)展以及我國(guó)對(duì)太陽(yáng)系其他行星等深

空探測(cè)計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施。作為深空探測(cè)任務(wù)空間電源系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，溫差電

器件工程化應(yīng)用技術(shù)迫在眉睫。而溫差電器件的發(fā)電功率和發(fā)電效率是衡量其性

能好壞的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，盡快建立起溫差電器件發(fā)電效率測(cè)試方法的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，

對(duì)于提高溫差電器件的產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)溫差電器件工程化應(yīng)用進(jìn)程、拓展溫差電

器件的應(yīng)用領(lǐng)域是十分必要的。

根據(jù)中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)公布的2022年度第一批團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)的通知，中國(guó)

科學(xué)院上海硅酸鹽研究所作為《溫差發(fā)電器件性能測(cè)試方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的申請(qǐng)立

項(xiàng)單位，應(yīng)盡快按要求開(kāi)展“溫差發(fā)電器件性能測(cè)試方法”標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

3.2主要工作過(guò)程

收到《溫差發(fā)電器件性能測(cè)試方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目立項(xiàng)通知后，中國(guó)科學(xué)院

上海硅酸鹽研究所立即成立了《溫差發(fā)電器件性能測(cè)試方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定工作

組。由柏勝?gòu)?qiáng)正高級(jí)工程師任工作組組長(zhǎng)，廖錦城高級(jí)工程師、夏緒貴高級(jí)工程

師、宋慶峰助理研究員、史迅研究員和陳立東研究員為工作組成員，隨即召開(kāi)了

第一次工作討論會(huì)，會(huì)議確定了標(biāo)準(zhǔn)的制定原則、制定方案、制定工作計(jì)劃及各

人主要分工（見(jiàn)下表1）。

3

表1起草人員的項(xiàng)目分工

姓名職稱項(xiàng)目分工

柏勝?gòu)?qiáng)正高級(jí)工程師標(biāo)準(zhǔn)的全面規(guī)劃

陳立東研究員技術(shù)指導(dǎo)

史迅研究員技術(shù)指導(dǎo)

廖錦城高級(jí)工程師標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)研和編寫(xiě)

夏緒貴高級(jí)工程師樣品制備

宋慶峰助理研究員樣品測(cè)試

第一次會(huì)議以后，標(biāo)準(zhǔn)制定工作組查閱了國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)資料，對(duì)

國(guó)內(nèi)外使用單位進(jìn)行了充分調(diào)研，廣泛征求意見(jiàn)，選取了具有代表性的樣品進(jìn)行

了測(cè)試驗(yàn)證工作。

隨后，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，按照GB/T1.1-

2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫(xiě)》的要求開(kāi)始起草標(biāo)準(zhǔn)文

本，于2023年2月形成標(biāo)準(zhǔn)草案稿。

2023年3月23日，在嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)制定工作組在上海硅酸鹽

研究所召開(kāi)了第二次會(huì)議，即，《溫差電器件發(fā)電性能測(cè)試方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)草案

稿預(yù)評(píng)會(huì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的草案進(jìn)行了修改和完善。2023年4月10日，

標(biāo)準(zhǔn)制定工作組形成了《溫差電器件發(fā)電性能測(cè)試方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿（初

稿）。

2023年4月初，標(biāo)準(zhǔn)制定工作組將《溫差電器件發(fā)電性能測(cè)試方法》團(tuán)體標(biāo)

準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿（初稿）發(fā)全國(guó)8家企業(yè)、高校以及研究機(jī)構(gòu)征求意見(jiàn)。2023年5月

底，標(biāo)準(zhǔn)工作組收到回復(fù)29條，各單位對(duì)標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿提出的修改意見(jiàn)，編制

組進(jìn)行了認(rèn)真整理，并對(duì)各單位的意見(jiàn)進(jìn)行了匯總。經(jīng)逐條分析，編制組采納了

部分意見(jiàn)，對(duì)于不采納的，也給予明確答復(fù)，隨后，標(biāo)準(zhǔn)制定工作組對(duì)收到的意

見(jiàn)進(jìn)行了充分仔細(xì)地分析和討論，并認(rèn)真的對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行必要的修改，最終形成《溫

差電器件發(fā)電性能測(cè)試方法》征求意見(jiàn)稿二稿，并提交中國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)委員會(huì)

評(píng)審。

2023年xx月xx日，《溫差電器件發(fā)電性能測(cè)試方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)審查會(huì)在中國(guó)

科學(xué)院上海硅酸鹽研究所舉行。來(lái)自全國(guó)xx專家及生產(chǎn)和使用單位的代表共xx人

4

參加了會(huì)議。專家組對(duì)標(biāo)準(zhǔn)送審稿正文進(jìn)行了逐字逐句審查，提出了具體修改意

見(jiàn)，制定工作組按修改意見(jiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)送審稿作進(jìn)一步修改、完善，發(fā)給標(biāo)委會(huì)各個(gè)

委員審核后，再經(jīng)修改形成了標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批稿。

4標(biāo)準(zhǔn)編制的原則

本標(biāo)準(zhǔn)制定的原則是保持標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性和適用性，建立一套簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、可

靠的溫差電器件發(fā)電效率測(cè)試方法。目的是提供一個(gè)統(tǒng)一的溫差電器件發(fā)電效率

測(cè)試及性能評(píng)價(jià)方法，使同行測(cè)試數(shù)據(jù)具有可比性。更好的實(shí)現(xiàn)溫差電器件產(chǎn)品

的質(zhì)量控制，促進(jìn)溫差電轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用健康發(fā)展。

5標(biāo)準(zhǔn)編制主要技術(shù)內(nèi)容的說(shuō)明

溫差電器件按使用溫度可分三類，分別為低溫區(qū)（室溫~300℃）、中溫區(qū)

（300~600℃）和高溫區(qū)（600~1000℃），代表性的材料體系分別為低溫區(qū)的Bi2Te3

基體系、中高溫區(qū)的CoSb3基體系和Half-Heusler、高溫區(qū)SiGe基合金等。Bi2Te3

體系市場(chǎng)上主要的應(yīng)用領(lǐng)域是溫差電制冷和低溫區(qū)的溫差發(fā)電器，CoSb3基材料

可用于汽車尾氣和工業(yè)余廢熱的回收發(fā)電、特種電源等，高溫區(qū)的SiGe基材料

則主要應(yīng)用于深空探索用空間電源。多年來(lái)本工作組對(duì)不同使用區(qū)間的溫差電器

件測(cè)試方法開(kāi)展了大量的研究和驗(yàn)證試驗(yàn)，并編制了《溫差電器件輸出功率測(cè)試

方法》、《溫差電器件發(fā)電效率測(cè)試方法》、及《溫差電元件界面電阻率測(cè)試方

法》三項(xiàng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在此工作基礎(chǔ)上編制此團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)從溫差電器件的測(cè)

試目的出發(fā)，確定了溫差電器件發(fā)電性能的測(cè)試方法，明確了測(cè)試過(guò)程中涉及到

的測(cè)試條件、試樣、設(shè)備和儀器等，并對(duì)測(cè)試步驟給出詳細(xì)規(guī)定。

5.1測(cè)量原理

根據(jù)溫差電轉(zhuǎn)換原理，測(cè)試溫差電器件的發(fā)電性能主要通過(guò)在其兩側(cè)設(shè)置熱

源和熱沉建立溫差，將其輸出端連接一個(gè)可變負(fù)載，通過(guò)改變負(fù)載大小，測(cè)試其

在不同負(fù)載下的輸出功率和發(fā)電效率。根據(jù)定義，溫差電器件的輸出功率等于其

輸出電壓和輸出電流的乘積，溫差電器件的發(fā)電效率等于其輸出功率與熱側(cè)吸熱

量的比值。測(cè)試時(shí)當(dāng)溫差電器件熱側(cè)、冷側(cè)溫度維持恒定，電壓-電流為線性關(guān)

系，因此，將測(cè)試得到的電流-電壓曲線進(jìn)行線性擬合數(shù)據(jù)處理進(jìn)一步得到溫差

電器件在該溫差下的開(kāi)路電壓、短路電流、內(nèi)阻、和最大輸出功率。

顯然，根據(jù)上述測(cè)試方法，輸出電壓和輸出電流測(cè)試相對(duì)容易，測(cè)試誤差取

5

決于測(cè)試儀表的精度。然而，由于熱源溫度較高，熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射導(dǎo)致

的熱損失很難估測(cè)，要準(zhǔn)確的測(cè)試熱側(cè)吸熱量就相對(duì)困難很多，這也是溫差電器

件發(fā)電效率測(cè)試中的主要誤差來(lái)源。高敏等編著的《溫差電轉(zhuǎn)換及應(yīng)用》里提到

的雙器件對(duì)稱安裝的測(cè)量方法，雖然一定程度上減少了熱損失，但是當(dāng)測(cè)試中高

溫器件時(shí)，漏熱也隨之增加，而且該方法對(duì)整體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性要求高，不利于批

量化操作。根據(jù)能量守恒原理，從溫差電器件熱側(cè)吸熱量一部分用于發(fā)電，剩下

的從器件冷側(cè)排出，若在器件冷側(cè)連接一塊規(guī)則的導(dǎo)熱體，根據(jù)穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)定律，

器件冷側(cè)排熱量就等于流經(jīng)該導(dǎo)熱體的熱流量。采用此測(cè)試方法冷側(cè)溫度低，熱

損失較小。綜上，通過(guò)測(cè)試器件冷側(cè)排熱量，再將它和輸出功率之和作為熱側(cè)吸

熱量的方法相對(duì)直接測(cè)量熱側(cè)吸熱量更準(zhǔn)確，是可行的，而且操作簡(jiǎn)便。

10

11

29

18

-+

Ch1

4

Ch2

3

7

Iout

Ch3

12Ch45

6

序號(hào)說(shuō)明：

1——溫差電器件試樣；

2——熱源；

3——熱沉；

4——熱流計(jì)；

5——標(biāo)準(zhǔn)電阻；

6——電子負(fù)載；

7——數(shù)據(jù)采集器；

6

8——保溫材料；

9——樣品架

10——樣品室；

11——?dú)夥湛刂葡到y(tǒng)：

12——計(jì)算機(jī)。

圖1測(cè)試裝置示意圖

如圖1所示為本標(biāo)準(zhǔn)采用的溫差電器件發(fā)電性能測(cè)試裝置示意圖，將溫差電

器件試樣冷側(cè)與熱流計(jì)對(duì)齊，置于熱源與熱沉之間并使用樣品架夾緊，在試樣周

圍包裹隔熱材料，關(guān)閉樣品室，打開(kāi)真空系統(tǒng)建立測(cè)試氣氛，調(diào)節(jié)熱源與熱沉的

控溫裝置，在試樣兩端建立溫差，待溫度穩(wěn)定后，控制電子負(fù)載使試樣按一定步

長(zhǎng)由小到大輸出電流，記錄每個(gè)電流對(duì)應(yīng)的熱流計(jì)第一溫度、熱流計(jì)第二溫度、

標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓、及試樣輸出電壓，根據(jù)公式（1）計(jì)算試樣輸出功率，

?

??????

????=????×（1）

??

式中：

I——測(cè)量步序號(hào)，數(shù)值為1，2，3，……，N；

??

????——試樣輸出功率，單位為W；

??

????——試樣輸出電壓，單位為V；

??

??——標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓，單位為V；

??——標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值，單位為Ω。

根據(jù)公式（2）計(jì)算試樣冷側(cè)排熱量，

(?????)×?

???=?×12（2）

??

式中：

I——測(cè)量步序號(hào)，數(shù)值為1，2，3，……，N；

??

?1——熱流計(jì)第一溫度，單位為開(kāi)爾文（K）；

??

?2——熱流計(jì)第二溫度，單位為開(kāi)爾文（K）；

?——熱流計(jì)的熱導(dǎo)率，單位為W/m·K；

?——熱流計(jì)的截面積，單位為m2；

7

?——熱流計(jì)第一溫度點(diǎn)與第二溫度點(diǎn)之間的距離，單位為……

試樣熱側(cè)吸熱量等于輸出功率和冷側(cè)排熱量之和，根據(jù)公式（3）計(jì)算，

??????

??=????+??（3）

式中：

i——測(cè)量步序號(hào)，數(shù)值為1，2，3，……，N；

??

????——試樣輸出功率，單位為W；

??

??——試樣冷側(cè)排熱量，單位為W；

??

??——試樣熱側(cè)吸熱量，單位為W。

將公式（1）和（2）代入公式（4）計(jì)算溫差電器件試樣發(fā)電效率：

?

????

???=??×100%（3）

????+??

式中：

i——測(cè)量步序號(hào)，數(shù)值為1，2，3，……，N；

???——試樣發(fā)電效率；

??

????——試樣輸出功率，單位為W；

??

????——試樣冷端排出熱量，單位為W。

為了確保本方法更加準(zhǔn)確，首先，為了進(jìn)一步減少漏熱，測(cè)試時(shí)必須在真空

環(huán)境進(jìn)行，并在器件內(nèi)部及周圍填充并包裹隔熱材料；其次，作為熱流計(jì)的導(dǎo)熱

體應(yīng)盡量選用熱導(dǎo)率高、穩(wěn)定性好的材料，建立選用室溫?zé)釋?dǎo)率不低于

350W/m·K，且在初次使用前對(duì)其熱導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。

5.2試樣

為確保測(cè)試的準(zhǔn)確性，溫差電器件試樣外形為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度范圍10mm～50

mm，寬度范圍10mm～50mm，高度范圍2mm～30mm，試樣截面長(zhǎng)寬比不大

于1.5，試樣熱、冷側(cè)應(yīng)平整，平面度≤0.05mm，表面粗糙度Ra≤1.6μm，兩側(cè)

的平行度≤0.05mm。

5.3設(shè)備及儀器

5.3.1設(shè)備

8

樣品室：溫差電器件是包括半導(dǎo)體溫差電材料、電極層、絕緣層等構(gòu)成的復(fù)

雜組件，在高溫條件下有些材料易于氧化導(dǎo)致溫差電器件失效，因此需要將樣品

放置在氣氛可控的樣品室中測(cè)試，極限真空度小于0.1Pa。

樣品架：用于安裝試樣，測(cè)試時(shí)為了使試樣的熱側(cè)、冷側(cè)具有良好的熱接觸，

樣品架應(yīng)具有夾緊功能，夾緊力在0.1KN～20KN范圍內(nèi)可調(diào)，此外，樣品架

還應(yīng)耐高溫、具有一定強(qiáng)度，建議使用不銹鋼材料，夾緊力控制精度不低于±5N。

熱源：用于建立溫差電器件試樣的熱側(cè)溫度，安裝面應(yīng)能包絡(luò)試樣，額定使

用溫度應(yīng)高于最高測(cè)試溫度的20%以上，具有升降溫速率控制，應(yīng)采用耐高溫、

耐氧化、具有一定強(qiáng)度的高導(dǎo)熱金屬、石墨、或陶瓷材料等。

熱流計(jì)：用于測(cè)試溫差電器件冷側(cè)排熱量，截面尺寸應(yīng)與溫差電器件試樣一

致，高度尺寸為30mm～50mm，上、下兩端面應(yīng)平整，表面粗糙度小于1.6m,

且平行度優(yōu)于±0.05mm，建議使用高純銅。

熱沉：用于建立溫差電器件試樣的冷側(cè)溫度，安裝面應(yīng)平整且能包絡(luò)試樣。

恒溫器：對(duì)熱沉進(jìn)行冷卻控制，為了滿足測(cè)試需求，可控溫度范圍為-10℃

~90℃，最高流速不低于20L/min；

計(jì)算機(jī)：連接設(shè)備和儀器，具有溫度控制模塊、數(shù)據(jù)（電壓、溫度）采集模

塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)保存模塊，實(shí)現(xiàn)測(cè)試全過(guò)程自動(dòng)控制，避免手動(dòng)

干預(yù)，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

5.3.2儀器

溫控器：控溫范圍為0~1000，精度不低于0.2級(jí)；

標(biāo)準(zhǔn)電阻：額定電流不低于1A，精度不低于0.01級(jí)；

電子負(fù)載：電流量程不低于1A，電壓量程不低于0.1V；

數(shù)據(jù)采集器：電壓量程不低于0.1V，精度不低于0.01級(jí)；

5.4測(cè)試程序

5.4.1將溫差電器件試樣安裝到樣品架上，并施加不低于0.3MPa的壓力，關(guān)

閉樣品室（當(dāng)試樣與熱源、熱流計(jì)接觸不佳時(shí)，可在試樣的熱面墊一層厚度小于

0.3mm的石墨紙，在冷面涂一薄層導(dǎo)熱膏）；

5.4.2抽真空到真空度小于5.0Pa，充入高純氬氣至真空度為2.5×102Pa，并

重復(fù)不少于兩次；

9

5.4.3啟動(dòng)溫差電器件發(fā)電性能評(píng)價(jià)軟件，按照表1進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；

表1參數(shù)設(shè)置

參數(shù)數(shù)值

數(shù)據(jù)采集間隔，s≤10

熱側(cè)溫度波動(dòng)值，℃/3min≤1.0

測(cè)試電流步長(zhǎng)，A≤1.0

電流-電壓掃描時(shí)熱側(cè)溫度波動(dòng)≤0.2

值，℃/10s

電流-電壓掃描結(jié)束條件輸出功率低于最大值的30%

5.4.4設(shè)置試樣測(cè)試溫度和恒溫器溫度；

5.4.5開(kāi)始測(cè)試，溫控器工作，開(kāi)始升溫，數(shù)據(jù)采集器采集信號(hào)；

5.4.6電流-電壓掃描測(cè)試：控制電子負(fù)載改變?cè)嚇虞敵鲭娏?，同步采集試?/p>

對(duì)應(yīng)的輸出電流、輸出電壓、熱流計(jì)第一溫度和第二溫度，并計(jì)算試樣輸出功率

和發(fā)電效率；

5.4.7采用最小二乘法對(duì)電流－電壓曲線進(jìn)行線性擬合、分析，得到試樣的

開(kāi)路電壓、短路電流、內(nèi)阻、最大輸出功率及最大輸出功率對(duì)應(yīng)的輸出電流、輸

出電壓；

5.4.7取發(fā)電效率的最大值作為試樣的最大發(fā)電效率；

5.4.8結(jié)束測(cè)試，記錄測(cè)試結(jié)果。

5.5采用此測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在不同型號(hào)設(shè)備上進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)

溫差電器件在不同型號(hào)設(shè)備上的驗(yàn)證試驗(yàn)是在自制的（SICCAS）和商用的日

本ULVAC公司生產(chǎn)的PEM-2兩種溫差電器件發(fā)電性能評(píng)價(jià)設(shè)備上進(jìn)行，并將

兩者的測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算值（Calculate）相比較。

溫差電器件樣品采用配比為Yb0.3Co4Sb12的N型材料和配比為

CeFe3.85Mn0.15Sb12的P型材料制備的3枚橫截面為正方形，截面尺寸為20mm×

20mm，高度為14.5mm的溫差電器件，包括8對(duì)P/N溫差電單偶，其中P型、

N型元件的尺寸為4mm×4mm×12mm。樣品1用于自制的設(shè)備測(cè)試，樣品2

用于PEM-2測(cè)試，樣品3作為備用。將溫差電器件安裝到樣品架上，并施加30kg

的壓力。然后，在溫差電器件周圍裹上一層保溫材料，關(guān)閉樣品室，啟動(dòng)真空系

10

統(tǒng)，經(jīng)過(guò)3次洗氣后充入高純氬氣至2.5×102Pa。最后，打開(kāi)冷水機(jī)，設(shè)置循環(huán)

水溫度為5℃，設(shè)置溫差電器件測(cè)試的熱源溫度為400℃、500℃、550℃、600℃。

測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，如圖2所示。結(jié)果表明，采用本標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的溫

差電器件發(fā)電性能更接近理論計(jì)算值。

100

1.50PEMPEM

SICCASSICCAS

CalculateCalculate

1.2590

)

(V)

1.00mΩ

(80

0.75內(nèi)阻

開(kāi)路電壓

70

0.50

400500600400500600

溫差(℃)溫差(℃)

5PEM10

SICCAS

4Calculate8

(%)

(W)

36

24PEM

SICCAS

12Calculate

最大轉(zhuǎn)換效率

最大輸出功率

00

400500600400500600

溫差(℃)溫差(℃)

圖2同一規(guī)格CoSb3器件在不同設(shè)備上測(cè)試對(duì)比

5.6采用此測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在不同測(cè)試單位進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)

溫差電器件在不同單位測(cè)試的驗(yàn)證試驗(yàn)是采用來(lái)自臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院材

化所的Bi2Te3基溫差電器件，試樣包括規(guī)格為截面尺寸為40mm×40mm，溫差

電單偶為127對(duì)的樣品1（Module1），和49對(duì)的樣品2（Module2），兩種規(guī)

格的樣品分別在上海硅酸鹽研究所（SICCAS）和臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院材化所

（ITRI）進(jìn)行測(cè)試。采用本標(biāo)準(zhǔn)方法設(shè)置相同的測(cè)試條件，冷面溫度為30℃，

熱面溫度從50℃～220℃階梯升溫，測(cè)試環(huán)境為真空，測(cè)試結(jié)果包括試樣的開(kāi)路

電壓、輸出功率、發(fā)電效率隨溫度變化如圖3所示。結(jié)果表明，兩家測(cè)試的結(jié)果

基本一致，偏差<10%。

11

107

Module1__ITRIModule1__ITRI

Module1__SICCAS6Module1__SICCAS

8Module2__ITRIModule2__ITRI

Module2__SICCAS5Module2__SICCAS

64

(V)

oc3

V4

Power(W)Power

2

2

1

0408012016020004080120160200

T(oC)T(oC)

（a）開(kāi)路電壓（b）輸出功率

6

Module1__ITRI

Module1__SICCAS

5Module2__ITRI

Module2__SICCAS

4

3

2

Efficiency(%)Efficiency

1

04080120160200

o

T(C)

（c）發(fā)電效率

圖3兩種規(guī)格BiTe器件在不同單位的比對(duì)測(cè)試結(jié)果

5.7采用此測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在具有資質(zhì)認(rèn)定許可技術(shù)能力的實(shí)驗(yàn)室主導(dǎo)下的多家比

對(duì)

借助IEA-AMT國(guó)際合作平臺(tái)，在美國(guó)橡樹(shù)林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的主導(dǎo)

下，選取上海硅酸鹽研究所研制的20mm×20mm半赫斯勒單級(jí)器件，采用本標(biāo)

準(zhǔn)方法和相同的測(cè)試條件，對(duì)同一樣品完成兩個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室（Lab.1和Lab.2）的

比對(duì)測(cè)試，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果基本吻合，說(shuō)明本標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量準(zhǔn)確性。

12

圖4ORNL主導(dǎo)下不同單位對(duì)同一溫差器件轉(zhuǎn)換效率比對(duì)測(cè)試結(jié)果

6誤差來(lái)源分析

本標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法誤差來(lái)源主要有以下三個(gè)方面：

6.1溫差電器件試樣

熱源

銅層Th

絕緣層|¤T1

電極層

NP過(guò)渡層NPNP

|¤T

電極層

絕緣層

|¤T2Tc

銅層熱沉

（a）理想模型（b）實(shí)際模型（c）測(cè)試模型

圖5溫差電器件模型

如圖5所示為溫差電器件模型示意圖，顯然，相對(duì)理想模型實(shí)際模型更加復(fù)

雜，實(shí)際模型中銅層、絕緣層、電極層的厚度、材質(zhì)、及連接質(zhì)量均影響器件的

發(fā)電性能，因此，制備工藝好壞和測(cè)試時(shí)試樣與熱源、熱沉的接觸性能能好壞是

影響溫差電器件性能的兩個(gè)主要因素，因此，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在安裝試樣時(shí)當(dāng)試樣與

熱源、熱源接觸不佳時(shí)，可在試樣的熱側(cè)與熱源之間墊一層厚度小于0.3mm的

石墨紙，在試樣的冷側(cè)與熱沉（或熱流計(jì)）之間涂一層導(dǎo)熱膏，目的就是為了改

善試樣與熱源、熱沉（或熱流計(jì)）的接觸性能。

6.2測(cè)量參數(shù)

13

根據(jù)5.1所述的測(cè)試原理，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫差電器件發(fā)電性能測(cè)試方法所涉

及的測(cè)量參數(shù)包括輸出電壓、輸出電流（測(cè)量分流器兩端的電壓）、熱流計(jì)溫差，

熱流計(jì)熱導(dǎo)率及其幾何參數(shù)長(zhǎng)、寬、高，其中，熱流計(jì)相關(guān)參數(shù)只需要在初次使

用時(shí)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)定。根據(jù)以上分析，測(cè)量不確定度主要取決于電壓、溫度測(cè)量相

關(guān)測(cè)試儀表，本標(biāo)準(zhǔn)推薦使用具有六位半精度的數(shù)字多用表（例如：吉時(shí)利6510、

是德34460A等）。

6.3溫度控制

當(dāng)溫差電器件工作時(shí)，由于佩爾捷（Peltier）效應(yīng)溫差電器件會(huì)在熱側(cè)吸熱、

在冷側(cè)放熱（類似熱泵），并且隨著輸出電流的增加，吸/放熱量顯著增加。測(cè)試

時(shí)，如果無(wú)法保證熱側(cè)熱量的充分供給和冷側(cè)熱量的及時(shí)排出，將引起器件熱側(cè)

溫度下降，冷側(cè)溫度上升，即：溫差電器件兩側(cè)的有效溫度減少，進(jìn)而導(dǎo)致溫差

電器件偏離測(cè)試設(shè)定的溫差條件，器件實(shí)際輸出電壓和輸出功率減少。針對(duì)測(cè)試

過(guò)程中的溫度動(dòng)態(tài)控制，日本PEM-2商用設(shè)備采用了延時(shí)方式，而本標(biāo)準(zhǔn)采用

的是溫度穩(wěn)定判據(jù)（例如5秒內(nèi)溫度偏差小于0.2℃）實(shí)