(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210673040.7 (22)申请日 2022.06.14 (71)申请人 上海大学 地址 200444 上海市宝山区上 大路99号 (72)发明人 杨炯　罗慧芳　 (74)专利代理 机构 上海新隆知识产权代理事务 所(普通合伙) 31366 专利代理师 金利琴 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G16C 60/00(2019.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种计算筛 选佩尔捷 主动制冷材 料的方法 (57)摘要 本发明公开一种计算筛选佩尔捷主动制冷 材料的方法， 计算主要基于Mat Hub‑3d数据库， 数 据库中共有80000多个体系， 其中有输运计算的 无磁性体系共2700个， 首先对2700个体系进行结 构优化， 利用优化后的结构进行自洽计算得到体 系对应的电荷密度， 首先利用得到的电荷密度计 算其电子能带， 然后利用电荷密度基于玻尔兹曼 输运方程进行电输运计算， 以便求得体系对应的 功率因子进行主动制冷材料的筛选。 本发明方法 通过高通量计算， 提高计算效率， 达到快速筛选 目标体系的目的， 同时， 本发明方法基于常数电 声耦合计算弛豫时间， 相比常用的常数电声耦 合， 并没有增加额外的计算量， 然而却考虑了电 声耦合的散射相关性， 计算精确度有所提高。 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 CN 114912296 A 2022.08.16 CN 114912296 A 1.一种计算筛 选佩尔捷 主动制冷材 料的方法， 其特 征在于， 该 方法包括如下步骤： 1)利用VASP软件通过高通量计算方法对数据库中2700个计算对象的晶体结构进行优 化， 使得270 0个体系都达 到收敛标准； 2)利用所述优化后的 晶体结构进行自洽计算， 获得体系的电荷 密度； 3)利用所述电荷密度进行 能带结构的计算， 计算采用DFT+U的方法， 通过 能带结构的计 算分析筛 选出的主动制冷体系的电子结构特 征； 4)利用所述电荷密度进行电输运计算， 采用半经验的玻尔兹曼输运理论来进行计算， 计算公式如下 所示： 其中vnk代表电子群速度， n代表能带指数， k为倒空间的坐标， τnk代表电子弛豫时间， T代 表体系所 处的温度， μ代表费米能级， f代表费米 ‑狄拉克分布， e是电子电荷， V代表原胞的体 积； 对于弛豫时间的计算较为复杂， 为了平衡计算精度和计算速度， 对于弛豫时间的计算 采用常数电声 耦合近似结合形变势的方法 其中前一部分是电声耦合矩阵元， n和k分别是 能带编号和波矢， Edef是带边形变势， G是 杨氏模量， 形变势和杨氏模量分别取为3eV和10 0GPa， 温度取3 00K； 5)基于所述步骤4的计算结果结合TransOpt程序进行后续处理， 得到2700个体系的功 率因子， 筛 选出主动制冷材 料。 2.根据权利要求1所述的一种计算筛选佩尔捷主动制冷材料的方法， 其特征在于， 步骤 1)中， 晶体结构的晶格参数分别为a， b， c， 结构优化时的高对称K点设置为30/a+1， 30/b+1， 30/c+1， 能量收敛准则为10‑4eV， 截断能为520eV。 3.根据权利要求1所述的一种计算筛选佩尔捷主动制冷材料的方法， 其特征在于， 步骤 2)中， 进行自洽计算时， 结构优化时的高对称K点设置为60/a+1， 60/b+1， 60/c+1， 能量收敛 准则为10‑4eV， 平面波截止能量 为520eV。 4.根据权利要求1所述的一种计算筛选佩尔捷主动制冷材料的方法， 其特征在于， 步骤 3)中， 每个体系对应的能带共10段， 每段 取40个点， 平波截止能量 为520eV。 5.根据权利要求1所述的一种计算筛选佩尔捷主动制冷材料的方法， 其特征在于， 步骤 4)中， 计算体系的晶胞常数分别为a， b， c， 布里渊区高对称性K点设为240/a+1， 240/b+1， 240/c+1， 能量收敛准则同样设置为10‑4eV， 电输运计算过程中对于弛豫时间的计算采用常 数电声耦合结合形变势的方法形变势和杨氏模量分别取为3eV和100GPa， 在计算过程中温 度取300K。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114912296 A 2一种计算筛选佩 尔捷主动制冷材料的方 法 技术领域 [0001]本发明涉及热电器件的第三种应用领域， 具体地说， 是一种计算筛选佩尔捷主动 制冷材料的方法。 背景技术 [0002]迄今为止， 化石能源作为一种不可再生资源， 仍然是人们日常生活中获取能量的 主要方式， 但是化石能源的消 耗对环境会产生极大 的污染， 开发出一类环保的能源系统较 为迫切， 热电材料对这些需求尤其合适。 热电材料作为一种新型功能材料， 在进 行电热相互 转换的同时无任何废弃物的排 放， 一经出现就受到 了人们的广泛关注。 [0003]热电材料最显著的效应是泽贝克效应(Seeb eck effect)和佩尔捷效应(Peltier   effect)， 自这两种效应发现以来， 热电材料在很多领域被广泛应用 和研究。 热电材料的性 能可以用热电优值ZT来表示， 其中ZT＝S2σ T/κpas。 S代表泽贝克系数， σ 代表电导率， κpas代表 热导率(它是由电子热导率κe和晶格热导率κL组成)， T代表温度。 其中S2σ 被称为功率因子 (power factor,PF)， 和材料的电输运性能相关。 热电模块最常见的工作模式就是发电模式 和制冷模式， 对于这两种工作模式， 需要 具有大的ZT值提高热电性能。 而 热电模块还有第三 种工作模式： 佩尔捷主动制冷模式， 对于主动制冷来说， 传统的高ZT材料是没有用的， 取而 代之的是需要同时具有大功率因子和大被动热导率的材料来快速有效地从器件的热区域 移除热量。 [0004]随着电池、 激光器、 计算机芯片朝着更紧凑、 更高功率密度的结构发展， 它们需要 更复杂的热流管理技术， 需要研发出更多的新型主动制冷材料进行热流管理。 从上述主动 制冷的应用来看， 其工作温度一般在室温左右， 因此更多的新型室温主动制冷材料是人们 所需要的， 也即在室温下具有大κeff的体系。 一般来说， 具有大电子热导率的金属在被动 冷 却应用中占主导地位。 然而， 对于主动制冷， 金属通常具有较小的泽贝克系数， 因此PF值也 较小， 所以目前只有一些具有强局域f电子的金属被考虑用于主动制冷应用。 至于一些典型 的室温热电材料， 如Bi2Te3， 由于其低的晶格热导率， 其κeff远远低于室温下铜的被动热导 率。 因此， 传统的金属 和Bi2Te3等传统的热电致冷材 料并不适合用于主动制冷。 发明内容 [0005]本发明的目的在于节省大量的研究耗费， 通过高通量计算快速有效地筛选室温佩 尔捷主动制冷材 料， 不依赖任何实验参数， 仅通过晶胞的参数进行后续自动化 流程计算。 [0006]通常用有效热导 率κeff评估佩尔捷主动制冷性能的好坏： [0007] [0008]其中κpas为被动热导率， 为主动热导率κac， κeff是被动热导率κpas和主动热导 率κac之和， 称为有 效热导率。 很明显当热端温度较高且温差较小时， 主动项很大。 上述公式 显示出， 当被动热导率和功 率因子都很大时， 可以获得更好的主动制冷性能。 考虑到计算效说　明　书 1/6 页 3 CN 114912296 A 3