Теплоэлектрический полупроводниковый прибор, основанный на использовании явлений термоэлектрического эффекта Зеебека или электротермического эффекта Пельтье и предназначенный для непосредственного преобразования теплоты в электрическую энергию и обратно, называется полупроводниковым термоэлементом. Полупроводниковые термоэлементы используются в устройстве термоэлектрических генераторов (ТЭГ) и холодильников. Теорию ТЭГ и холодильников разработал Иоффе А.Ф.
Термоэлектрический генератор состоит из блока термоэлементов, электрически соединенных между собой, нагревателя, обеспечивающего приток тепла к их горячим спаям, и системы охлаждения их холодных спаев. Положительные ветви термоэлементов изготавливают из сплава сурьмы и цинка (ZnSb), или сплава сурьмы, теллура и висмута. Отрицательные ветви изготавливают из сплава висмута с сурьмой, либо из константановой проволоки.
Коэффициент полезного действия ТЭГ зависит от:
1) свойств применяемых материалов (ρυ, λ, α);
2) разности температур холодных и горячих частей;
3) отношения сопротивления нагрузки и сопротивления термоэлемента.
Максимальное значение коэффициента полезного действия (КПД) ηmax = 7…19 %.
Термоэлектрические генераторы применяются в комбинации с изотопными в космосе, автоматических метеостанциях, ретрансляторах, маяках и т.д.
Термоэлектрический холодильник состоит из блока термоэлементов, составленных из некоторого числа последовательно соединенных чередующихся электронных и дырочных элементов. Последовательное соединение термоэлементов в батарею осуществляется таким образом, что получается две системы спаев – по одну и по другую сторону батареи. Если через такую батарею пропустить электрический ток, то на одних спаях будет выделяться тепло Пельтье, а на других оно будет поглощаться. Если спаи, где выделяется тепло, поддерживать при постоянной температуре (Т0), то другие спаи будут охлаждаться до такой температуры (Т), пока сумма теплот, поступающих в них в единицу времени (из окружающей среды (Q0), теплоты теплопроводности (Qλ) и половины тепла Джоуля (1/2 Q)), не станет равной поглощающейся в них теплоте Пельтье (Qn), т.е.
Q0 + Qλ + 1/2 Q = Qn.
Для изготовления термоэлементов охлаждающих устройств используются твердые растворы на основе Те, Bi, Sb, Se и т.д.