u827106

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Universidad de los Andes
Facultad de ingeniería
Caracterización de termoeléctricos para
determinar propiedades que definan su
eficiencia
PROYECTO DE GRADO
Para el titulo de: Ingeniero electrónico
PRESENTADO POR:
Santiago Arboleda Bolaños
ASESORA:
Alba Graciela Ávila Bernal
CO-ASESOR:
Jaime Andres Perez Taborda
Bogotá, 2019
i
Resumen
En el presente documento se exponen el planteamiento, la implementación y los
resultados de diferentes bancos de pruebas con el fin de evaluar la celdas termoeléc-
tricas y películas delgadas como materiales termoeléctricos ya se para generación de
voltaje o como bombas de calor, tareas principales que se les asigna en sus imple-
mentaciones más comunes como sistemas de enfriamiento de módulos electrónico o
pequeños generados que aprovechan las perdidas de calor de algún generador más
grande. Así mismo, se plantean dos bancos de prueba con el fin de evaluar la vida útil
de celdas termoeléctricas comerciales con la expectativa de concluir si estás pueden o
no ser aptas para su uso en la intemperie. Este documento tiene como fin exponer el
planteamiento e implementación de normas para la realización de medidas en celdas
termoeléctricas y en películas delgadas.
Primero, se expondrá una pequeña introducción al proyecto y sus respectivos ob-
jetivos. Se continuara con una introducción al tema de la termoelectricidad y los
termoeléctricos, explicado los principales efectos que sirven para la generación de flu-
jo eléctrico a partir de una diferencia de temperatura o flujo térmico a partir de una
diferencia de potenciales. Se proseguirá con un resumen sobre la literatura actual del
tópico, resumiendo experimentos pasados encontrados, técnicas comúnmente utiliza-
das y posibles dificultades que se puedan encontrar. Posteriormente, se plantearan los
bancos de pruebas que se implementaron a lo largo de este proyecto, basándose en la
información encontrada en la literatura encontrada. También se expondrá el cómo se
implementaron dichos bancos de prueba, con que materiales y que tipo de medición
se está realizando en cada caso. Continuaremos con una exposición de los resultados
encontrados en cada una de los etapas de este proyecto y un análisis de lo mismos.
Por ultimo, se presentan las conclusiones del proyecto y los posibles trabajos futuros
que se podrían realizar.
ii
Agradecimientos
Le agradezco a mi asesora Alba Ávila y a mi coasesor Jaime Pérez por todo el apoyo
en este proyecto facilitándome espacios para la resolución de dudas y retroalimenta-
ción de avances.También le quiero agradecer a Gustavo Adolfo Lanza Bayona por la
ayuda en toma de datos, a Carlos Pérez por la ayuda para resolver dudas y a todo el
grupo de Nano y microelectrónica del la universidad de los Andes. Adicionalmente, le
agradezco a Juan Manuel Virgen por la ayuda en laboratorios de ingeniería mecánica.
Por ultimo, le agradezco a los laboratorios de ingeniería electrónica y mecánica por
el préstamo de los instrumentos utilizados en este proyecto.
iii
Índice general
Resumen ii
Agradecimientos iii
1. Introducción 1
2. Objetivos 2
2.1. Objetivos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3. Marco teórico 3
3.1. Efecto termoeléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.1.1. Efecto Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.1.2. Efecto Peltier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.1.3. Efecto Thomson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
3.2. Eficiencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.3. Termoeléctricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3.3.1. Celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.3.2. Laminas delgadas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.4. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4. Diseños de bancos de pruebas 12
4.1. Pruebas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1.1. Eficiencia celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.1.2. Coeficiente de Seebeck de películas delgadas termoeléctricas . 15
4.1.3. Conductividad eléctrica de películas delgadas termoeléctricas . 16
4.2. Pruebas de ciclo de vida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2.1. Repetitividad en celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . 19
4.2.2. Exposición ambiental en celdas termoeléctricas . . . . . . . . . 20
5. Implementación de bancos de pruebas 21
5.1. Pruebas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.1.1. Eficiencia celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.1.2. Coeficiente de Seebeck de películas delgadas termoeléctricas . 22
5.1.3. Conductividad eléctrica de películas delgadas termoeléctricas . 23
5.2. Pruebas de ciclo de vida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
iv
ÍNDICE GENERAL v
5.2.1. Repetitividad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.2.2. Exposición ambiental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6. Resultados 28
6.1. Caracterización de celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.1.1. Comportamiento celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . 28
6.1.2. Repetitivas celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.2. Películas delgadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2.1. Conductividad eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2.2. Coeficiente de Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.3. Ciclo de vida celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7. Análisis 40
7.1. Caracterización de celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.1.1. Comportamiento celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . 40
7.1.2. Repetitivas celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . 40
7.2. Películas delgadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.2.1. Conductividad eléctrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7.2.2. Coeficiente de Seebeck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
7.3. Ciclo de vida celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
8. Conclusiones 45
9. Trabajos futuros 46
A. Anexos 48
Índice de figuras
3.1. Celda termoeléctrica básica [16] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3.2. Escenario de medición utilizado para el calculo del coeficiente de See-
beck [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.3. Medición de cuatro puntas para películas delgadas [20] . . . . . . . . 10
4.1. Medición de eficiencia celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . 12
4.2. Medición de eficiencia celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . 14
4.3. PCB de acondicionamiento de señal termocuplas tipo K . . . . . . . . 14
4.4. Medición de coeficiente de Seebeck de película delgada termoeléctrica 15
4.5. Medida de conductividad eléctrica de película delgada termoeléctrica 17
4.6. Accesorio de medición kelvin[29] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.7. PCB de adaptación para accesorio de medición Kelvin . . . . . . . . 18
4.8. Circuito para el banco de pruebas de repetitividad . . . . . . . . . . . 19
5.1. Montaje realizado para la prueba de eficiencia en celdas termoeléctricas 21
5.2. Montaje realizado para la prueba de coeficiente de Seebeck en películas
delgadas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
5.3. Montaje realizado para la prueba de conductividad eléctrica en pelícu-
las delgadas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
5.4. Montaje realizado para la prueba de repetitividad en celdas termoeléc-
tricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.5. Voltaje de entrada de la celda termoeléctrica durante un ciclo . . . . 25
5.6. Atlas UV test . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5.7. Montaje realizado para la prueba de exposición ambiental en celdas
termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.1. Corriente de entrada según el voltaje de entrada celdas termoeléctricas 28
6.2. Potencia de entrada según el voltaje de entrada celdas termoeléctricas 29
6.3. Temperatura cara caliente en función de voltaje de entrada de las celdas
termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.4. Temperatura cara fría en función de voltaje de entrada de las celdas
termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.5. Diferencia de temperaturas entre las caras en función de voltaje de
entrada de las celdas termoeléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.6. Comparación con datos históricos [31] celda 01711-9L31-04CJ . . . . 31
vi
ÍNDICE DE FIGURAS vii
6.7. Comparación con datos históricos [31] celda 01711-9L31-04CJ . . . . 31
6.8. Comparación con datos históricos [31] celda 12711-5L30-25CQ . . . . 32
6.9. Prueba de repetitividad celda termoeléctrica 12711-5L30-25CQ . . . . 32
6.10. Conductividad eléctrica según temperatura películas delgadas . . . . 33
6.11. Voltaje credo por efecto Seebeck según diferencia de temperatura pe-
lículas delgadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
6.12. Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 01711-9L31-04CJ 34
6.13. Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 07111-4L30-49RI 35
6.14. Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 04911-5P31-14CN 35
6.15. Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 12711-5L30-25CQ 35
6.16. Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 24111-5L31-06CZ 35
6.17. Histograma de la celda 01711-9L31-04CJ antes y después de ser ex-
puesta luz UV y ciclos de condensación . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.18. Histograma de la celda 07111-4L30-49RI antes y después de ser ex-
puesta luz UV y ciclos de condensación . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
6.19. Histograma de la celda 04911-5P31-14CN antes y después de ser ex-
puesta luz UV y ciclos de condensación . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.20. Histograma de la celda 12711-5L30-25CQ antes y después de ser ex-
puesta luz UV y ciclos de condensación . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
6.21. Histograma de la celda 24111-5L31-06CZ antes y después de ser ex-
puesta luz UV y ciclos de condensación . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
6.22. Rendimiento de las celdas termoeléctricas a través del tiempo expuesto 38
6.23. Mapa de calor celda 01711-9L31-04CJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.24. Mapa de calor celda 24111-5L31-06CZ . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.1. Elementos presentes en semiconductor 1 de la celda termoeléctrica
12711-5L30-25CQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.2. Elementos presentes en semiconductor 2 de la celda termoeléctrica
12711-5L30-25CQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
7.3. Distribución elementos en semiconductor 1 de la celda termoeléctrica
12711-5L30-25CQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.4. Distribución elementos en semiconductor 2 de la celda termoeléctrica
12711-5L30-25CQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.5. Mapa térmico celda termoeléctrica 12711-5L30-25CQ . . . . . . . . . 43
Índice de tablas
6.1. Espesores películas delgadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6.2. Coeficientes de Seebeck películas delgadas . . . . . . . . . . . . . . . 34
viii
Capítulo 1
Introducción
La popularidad de los generadores eléctricos no basados en combustibles fósiles a
aumentado a causa de la creciente contaminación del medio ambiente y sus crecientes
costos. A si mismo, debido al aumento en las velocidades de procesamiento y, al mis-
mo tiempo, la reducción de tamaño de los mismos, cada vez se requiere de mejores
métodos de disipación de calor en los microprocesadores actuales [1]. Una solución
tentativa para estas problemáticas son los termoeléctricos.
Los termoeléctricos son materiales que esencialmente poseen la capacidad de generar
diferencia de potencial cuando se les aplica una diferencia de potencia o una voltaje
cuando se encuentran en una diferencia de temperatura. Su aplicación como genera-
dores resulta sumamente conveniente en efectos prácticos porque la energía deseada
para transformar en energía eléctrica es la energía térmica, la cual siempre resulta
como desperdicio de cualquier proceso. Por lo cual abre la posibilidad a aumentar
la eficiencia de térmica de algún proceso [2]. A si mismo, el control sobre el flujo de
calor a partir de un voltaje de entrada permite la creación de nuevas aplicaciones en
el mundo de la refrigeración [3].
La principal problemática a tratar en este tipo de instrumentos es su baja eficiencia
a diferencias de temperatura medias, entre 0oC y 50oC. En este tipo de diferencias
de temperatura es donde residen las aplicaciones más innovadoras para los termo-
eléctricos, como la contracción de pequeños generadores de energía eléctrica [4] que
aprovechen diferencias térmicas entre, por ejemplo, la temperatura corporal y el medio
ambiente. Por lo cual, resulta un amplio campo de investigación el tratar de aumentar
la eficiencia en estos rangos de temperaturas.
Sin embargo, los termoeléctricos comerciales no poseen una caracterización especial-
mente amplia[5][6][7][8][9][10] en la cual se pueda lograr un entendimiento amplio
sobre sus características sin necesidad de adquirirlos. Por lo cual una evaluación de
estos ayudaría ampliar la documentación existente sobre los mismo, contribuyendo a
un mejor entendimiento sobre los mismos y abriendo la posibilidad a nuevas formas
de aplicación. A si mismo, una caracterización detallada de las figuras de merito y
eficiencias en los diferentes tipos termoeléctricos, y su comparación entre sí, podría
ayudar a exponer nuevas formas de mejoras para ciertas aplicaciones.
1
Capítulo 2
Objetivos
2.1. Objetivos generales
Diseñar e implementar bancos de pruebas para caracterizar termoeléctricos.
2.2. Objetivos específicos
Definir protocolos de caracterización y prueba para celdas termoeléctricas.
Definir protocolos de caracterización y prueba para películas delgadas termo-
eléctricas.
Definición de características de mejora por métodos comparativos para celda
termoeléctrica.
2
Capítulo 3
Marco teórico
3.1. Efecto termoeléctrico
Los conocidos efectos termoeléctricos son aquellos que conllevan una correlación
entre voltajes y corrientes eléctricas con temperatura y flujo de calor. Los efectos
termoeléctricos se dividen en tres: Efecto Seebeck, efecto Peltier y efecto Thomson.
A continuación se expone un pequeño resumen de cada uno.
3.1.1. Efecto Seebeck
Cuando las dos puntas de un conductor se encuentran a diferentes temperaturas,
los electrones de la punta caliente, los cuales tiene más energía, se dispersan hacia la
punta con menor temperatura. La creación de un campo electromagnético al crear una
diferencia de temperatura entre los extremos de una baria metálica fue descubierto
por Seebeck. Originalmente se pensó que se había descubierto una forma de crear
campos magnéticos a partir de energía térmica. Sin embargo, luego se supo que dicho
campo generado era el resultado de la difusión de electrones de una punta de la barra
hasta la otra. El efecto Seebeck también se puede describir como la conversión de
energía térmica en energía eléctrica para la condición de corriente nula [11].
El voltaje generado puede ser expresado por la siguiente relación.
V = S 4T (3.1)
Donde:
V es el voltaje generado.
4T es la diferenciad de temperatura a la cual se encuentran expuestas las es-
quinas del conductor
S es el coeficiente de Seebeck expresado con las unidades V
K
.
3
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO 4
3.1.2. Efecto Peltier
Definido de manera simple como el cambio de temperatura en launión de dos
conductores cuando existe un flujo de corriente DC en ella. En el momento de su
descubrimiento, el efecto Peltier fue planteado como la absorción o extracción de calor
en una unión de dos metales cuando una corriente directa los está atravesando[12].
Sin embargo, comúnmente se suele denominar como un efecto de absorción de calor
donde el calor absorbido o su devolución esta descrito por la formula.
QΠ = (Π1 − Π2)J (3.2)
Donde:
Q es el calor absorbido o emitido.
Π son los coeficientes de Seebeck del material.
J es la corriente total que fluye a través de la unión
Cabe resaltar que aunque el fenómeno inicialmente se describía como un efecto único
en las uniones de los materiales conductores, se ha observado que en uniones de
semiconductores dopados con electrones o huecos se obtiene este efecto de forma
mucho más fuerte.
3.1.3. Efecto Thomson
El efecto Thomson es otro ejemplo de disipación de calor en un semiconductor
cuan fluye un corriente eléctrica a través del mismo. Se puede definir principalmente
como el flujo de calor que tiene lugar cuando una corriente eléctrica fluye a lo largo
de un material con diferencias de temperatura en sus esquinas. El efecto Thomson es
comúnmente relacionado con una fuente de calor o un pozo del mismo[13].
La densidad de calor de la fuente de Thomson sigue la siguiente expresión.
QTH = −τJ∇T (3.3)
Donde
QTH es la densidad de calor de la fuente de Thomson.
∇T es el gradiente de la temperatura.
J es la densidad de corriente eléctrica.
Mientras que τ esta dado por la siguiente ecuación.
τ = T
dS
dT
(3.4)
Donde
τ es el coeficiente de Thomson.
T es la temperatura.
S el coeficiente de Seebeck relacionado con el material
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO 5
3.2. Eficiencia
Para la generación de energía tanto como para la creación eficiente de flujos de
temperatura, los materiales requieren tener un coeficiente de Seebeck alto, una con-
ductividad eléctrica elevada y una conductividad térmica reducida. La eficiencia de
un material evaluado como un termoeléctrico está directamente relacionada con la
figura de merito, la cual se expresa con la siguiente formula.
Z =
Sσ
k
(3.5)
Donde
Z es la figura de merito.
S es el coeficiente de Seebeck.
σ es la conductividad eléctrica.
k es la conductividad térmica.
A pesar de que los efectos termoeléctricos anteriormente expuestos se observaron
inicialmente en conductores, actualmente se reconoce que los materiales con figu-
ra de merito más elevada son los semiconductores, especialmente los densamente
dopados[14]. La principal razón por la cual los materiales conductores eléctricos no
poseen una figura de merito considerable, en comparación los semiconductores, es la
conductividad térmica que usualmente presentan.
Sin embargo, ¿cómo es posible que un semiconductor tenga una figura de merito ele-
vada si no presenta una conductividad de eléctrica considerable? En un semiconductor
extrínseco, las impurezas pueden causan el descenso de una banda de energía alta,
causando que el mismo se convierta en un donante de electrones o semiconductor
tipo n. A si mismo, también se puede causar el efecto del ascenso de una banda de
energía baja, causando que el material se convierta en un receptor de electrones o
semiconductor tipo p. De esta forma se entiende que propiedades como la conducti-
vidad eléctrica puede ser fácilmente manipulada en materiales semiconductores. [15]
La fácil manipulación de la conductividad eléctrica en materiales semiconductores
mediante dopajes, sin un cambio considerable en el coeficiente de Seebeck y la con-
ductividad térmica, permiten que este tipo de materiales se destaquen más en el
ámbito de la termoelectricidad.
3.3. Termoeléctricos
Los termoeléctricos suelen ser arreglos de materiales semiconductores altamente
dopados que se basan en los efectos termoeléctricos anteriormente expuestos para ge-
nerar energía eléctrica o ser bombas de calor. Las dos principales clases de dispositivos
termoeléctricos son las celdas termoeléctricas y las laminas delgadas.
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO 6
3.3.1. Celdas termoeléctricas
Una celda termoeléctrica consiste en una arreglo de semiconductores extrínsecos
tipo N y P conectados eléctricamente el serie y térmicamente en paralelo. Los arreglos
de semiconductores suelen contenerse dentro de dos caras cerámicas para proveer de
estabilidad física al material. En la Figura 3.1 se observa una sección de una celda
termoeléctrica.
Figura 3.1: Celda termoeléctrica básica [16]
En el mercado se consiguen celdas de este tipo como disipadores de calor de Peltier.
Los cuales, como el nombre indica, disipan calor basándose en el efecto Peltier. En la
literatura se les suele asignar una cara fria, o de absorción de calor,y una cara caliente,
o una cara de emisión de calor, aunque el cambio de polaridad en estos dispositivos
causa el cambio del flujo de calor, y por ende revierte las cara caliente y fría.
A pesar de que este tipo de dispositivos sean conocidos como disipadores, también
pueden ser utilizados como generadores de energía eléctrica a partir de diferencias
térmicas. Sin embargo, su baja eficiencia en estos caso reduce su popularidad en esta
área.
3.3.2. Laminas delgadas termoeléctricas
Una lamina delgada, película delgada o película fina es todo aquel material que
posee una sus dimensiones en una escala entre los nanómetros y los micrómetros. La
restricción de una de las dimensiones dentro de esta escala puede llegar a causar la
variación de sus características en comparación a cuando no tiene esta restricción. Los
cambios más usuales se encuentran en las propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas
del material. El cambio de algunas de estas propiedades trae asimismo el cambio en
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO 7
la figura de merito de algunos materiales y por ende su eficiencia al ser evaluado como
termoeléctricos, abriendo un nuevo horizonte par a nuevas aplicaciones [17].
3.4. Antecedentes
El estudio de termoeléctricos ha crecido en los últimos años debido a sus posi-
bles aplicaciones como disipadores de calor en microprocesadores [11] o generadores
portales de energía eléctrica renovable [18]. Sin embargo, la baja eficiencia de estos
a presentado un gran obstáculo para la implementación de productos viables a gran
escala. La caracterización y estudio de los termoeléctricos desarrollados actualmen-
te podría brindarnos información de cómo incrementar su eficiencia y de esta forma
ampliar su espectro de aplicaciones.
Los termoeléctricos suelen encontrarse en el mercado de dos formas: Primero como
arreglos de semiconductores tipo P y N unidos en serie eléctricamente y en paralelo
térmicamente dentro de una celda con dos caras cerámicas [19]; Segundo como lami-
nas delgadas de un material [20]. El método de evaluación más común es mediante
su eficiencia, dada por:
η =
Th − Tc
Tc
√
1 + ZT − 1√
1 + ZT + Tc
Th
(3.6)
Donde
η es la eficiencia como termoeléctrico.
Th es la temperatura de la zona a mayor temperatura del termoeléctrico eva-
luado.
Tc es la temperatura de la zona a menor temperatura del termoeléctrico evalua-
do.
ZT es el parámetro de figura de merito modificado.
y el coeficiente de actuación dado por
COP =
Tc
Th − Tc
√
1 + ZT − Tc
Th√
1 + ZT + 1
(3.7)
Donde
COP es el coeficiente de actuación.
Th es la temperatura de la zona a mayor temperatura del termoeléctrico eva-
luado.
Tc es la temperatura de la zona a menor temperatura del termoeléctrico evalua-
do.
ZT es el parámetro de figura de merito modificado.
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO 8
Mientras que el parámetro adimencional de la figura de merito modificada viene dado
por:
ZT =
S2σT
k
(3.8)
Donde
ZT es la figura de merito modificada.
S es el coeficiente de Seebeck.
σ es la conductividad eléctrica.
T es la temperatura de la muestra.
k es la conductividad térmica.
Las variables dadas por el material que pueden afectar la eficiencia y el coeficiente de
actuación de un termoeléctrico son las mismas que nos dan la figura de merito. Por
lo tanto, el estudiode esta figura nos brinda la información necesaria para evaluar
la actuación de algún material, o interfase de materiales, como termoeléctrico. Sin
embargo, el calculo exacto de la figura de merito resulta particularmente complicado
tanto para las celdas como para para las películas delgadas termoeléctricas.
Por el lado de las celdas termoeléctricas, resulta complicado obtener los valores exactos
de las conductividades térmica, eléctrica y el coeficiente de Seebeck debido al uso de
múltiples materiales dentro de una matriz. Por lo cual, de forma casi general en la
literatura actual [25] [26] [27] se plantea la eficiencia como:
η =
Qout
Pin
(3.9)
Donde
η eficiencia de una celda termoeléctrica.
Qout es el calor bombeado por el dispositivo.
Pin la potencia demandada por el mismo.
A pesar de que el calculo del calor bombeado a través de la celda no resulta ser tan
trivial, una buena noción de este valor se obtiene al tomar la diferencia de temperatura
entre las dos caras de la celda. La relación entre la potencia de entrada y la diferencia
de temperatura entre las dos caras de la celda representan un equivalencia con la
figura de merito [28] [26] y por ende resulta suficiente para el análisis de tanto de
la eficiencia de la celda termoeléctrica. Esta formulación de la eficiencia plantea un
gigantesca simplificación de en la forma de evaluar los termoeléctricos debido a que
solo requiere la medición de la potencia de entrada al dispositivo y medición de las
temperaturas de los dos nodos del dispositivo.
Por otro lado, en las películas delgadas, la caracterización de las propiedades que
dan la figura de merito del material resulta más lógica debido a que ya no se esta
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO 9
interactuado con una matriz de materiales. Sin embargo, las especificas dimensiones
de estos materiales cambia la medición forma de medición de estas características.
En primer lugar, el calculo del coeficiente de Seebeck suele plantearse de dos formas,
el método diferencia y el método integral [20]. En donde el método integral resulta
más preciso debido a que no asume un equilibrio instantáneo entre la unión de la
muestra y el instrumento de medición de temperatura. Sin embargo, la necesidad de
mayor control sobre la muestra a medir para una variación minúscula entre algunos
resultados de método diferencial, hacen de este método el menos común en este tipo
de investigaciones. El experimento realizado para el calculo de este coeficiente, para
cualquiera de los dos métodos, se ilustra en la Figura 3.2.
Figura 3.2: Escenario de medición utilizado para el calculo del coeficiente de Seebeck
[20]
En el anterior escenario se expone a la película a dos temperaturas diferentes en
sus esquinas para crear una diferencia de temperatura sobre el material. A la muestra
se le mide la temperatura y su potencial en sus extremos. Utilizando la diferencia de
potencial y temperatura del material se puede calcula el coeficiente de Seebeck por el
método diferencial.
En cuanto a la conductividad eléctrica, debido al bajo valor de resistencia que se
espera por parte del material a medir, se utiliza una medición Kelvin o de 4 puntas.
Se utiliza este tipo de medición porque, a la hora de calcular la resistencia del objeto
medido, no tiene en cuenta la resistencia del instrumento a medir, que en este caso es
equivalente o incluso mayor. Sin embargo, por las dimensiones del tipo de muestra a
medir en este caso, donde el ancho es mucho mayor al alto, se tiene que realizar una
modificación a la medición de 4 puntas. Para ello se utiliza la geometría de Van Der
Pauw [20], la cual nos plantea un método para encontrar la resistencia laminar de un
objeto. La medición de 4 puntas implementada con la geometría de Van Der Pauw se
ilustra en la Figura 3.3.
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO 10
Figura 3.3: Medición de cuatro puntas para películas delgadas [20]
Se observa variación principal a la hora de tomar las medidas es plantear los nodos
o puntas en las esquinas del material, en el caso de que sea cuadrado. Adicionalmente,
se deben tener en cuanta unas restricciones para matemáticas para poder calcular la
resistencia laminar del objeto a medir; sin embargo, el cálculo no presenta mayores
dificultades.
Como último término de la figura de mérito se tiene la conductividad térmicas. El
calculo de esta propiedad del material resulta más complicado que con los otros dos
términos. Como primer paso se requiere la creación de dos micro-calentadores sobre
una capa de aislante eléctrico. Abajo de uno de estos dos calentadores se situara
la muestra. La idea es aplicar un voltaje AC sobre los calentadores para que estos
creen una temperatura uniforme sobre la muestra y, mediante la comparación con el
calentador si muestra, obtener la conductividad térmica. Esta ultima se expresa son
la formula:
k =
t
2A
I2
oRo
4T2ω,film_sub −4T2ω,sub
(3.10)
Donde
k es la conductividad térmica.
t es el tiempo.
A es el área de la muestra.
Io es la corriente del calentador utilizado.
Ro resistencia del calentador utilizado.
4T2ω,film_sub es la diferencia de temperatura en la película y el sustrato para
una componente de frecuencia de ω.
4T2ω,sub es la diferencia de temperatura en el sustrato para una componente de
frecuencia de ω.
Según el proceso ilustrado en el capitulo 3.2.1 del libro de técnicas de caracterización
de películas termoeléctricas [20]. Este proceso presenta de ser sumamente complicado
y destructivo para la muestra, ya que se deben depositar capas de aislante y con-
ductores sobre la misma, pero presenta la ventaja de poder calcular el coeficiente de
CAPÍTULO 3. MARCO TEÓRICO 11
Seebeck en el mismo experimento. Existen otros métodos para estimar la conductivi-
dad térmica de una película delgada, como se muestre en la Tabla 2 de [21].
Por ultimo, el estudio del ciclo de vida de los termoeléctricos resulta ser un tópico
no muy expandido en la literatura actual. Usualmente se plantea el mismo tipo de
prueba sobre los materiales, la cual consisten en aplicar un voltaje DC durante cierto
tiempo seguido de un periodo de descanso, o aplicación del mismo voltaje invertido
[22], de la misma duración y realizar una medida de la diferencia de temperatura entre
las caras. Este tipo de experimentos suele ser realizado en ambientes controlados o
incluso poniendo la muestra en completo aislamiento al exterior [23]. La evaluación
de ciclo de vida útil se basa principalmente en conocer si varia la eficiencia del dis-
positivo en relación a sus usos.Sin embargo, no se llega a tener en cuenta si el factor
ambiental puede afectar la vida útil de este tipo de dispositivos.
Otro tipo de bancos de pruebas realizados en la literatura consiste en medir los cam-
bios de eficiencia de una celda termoeléctrica cuando ocurre una falla mecánica y cada
cuanto llega a ocurrir [24]. En este tipo de experimentos se llega a la conclusión de
que los materiales termoeléctricos poseen el inconveniente de tener un crecimiento ex-
ponencial en sus fallas cada vez que estas ocurren y, así mismo, una notoria reducción
de su eficiencia.
Capítulo 4
Diseños de bancos de pruebas
En este proyecto se plantea el siguiente flujo de trabajo.
Figura 4.1: Medición de eficiencia celdas termoeléctricas
12
CAPÍTULO 4. DISEÑOS DE BANCOS DE PRUEBAS 13
Para la correcta realización de estas pruebas, se planteo el diseño de 5 bancos de
pruebas para termoeléctricos que evaluarían ayudarían a determinar características
relacionadas con su eficiencia y su ciclo de vida útil. Dichas pruebas se dividieron de
la siguiente manera:
Funcionamiento
1. Eficiencia de celdas termoeléctricas.
2. Coeficiente de Seebeck de películas delgadas.
3. Conductividad eléctrica de películas delgadas.
Ciclo de vida
1. Repetitividad en celdas termoeléctricas.
2. Exposición ambiental en celdas termoeléctricas.
El objetivo de la realización de estas pruebas es obtener información sobre el consumo,
eficiencia y ciclo de vida útil en celdas termoeléctricas, mientras que en las películas
delgadas se planteaobtener las características que definen su figura de merito. Se
observa que en este ultimo caso, no se encuentra la conductividad térmica de las
películas delgadas. Esto se hace debido a las complicaciones para implementar un
escenario en el cual se pudieran medir varias muestras con precisión.
A continuación se exponen los escenarios planteados para realizar las pruebas de
funcionamiento y ciclo de vida.
4.1. Pruebas de funcionamiento
4.1.1. Eficiencia celdas termoeléctricas
La obtención de la eficiencia en las celdas termoeléctricas consiste en encontrar
la respuesta en términos de diferencia de temperatura entre las dos caras de la celda
para todo su rango de voltajes de entrada. El experimento a realizar consiste en medir
la diferencia de temperatura entre las dos caras de la celda a diferentes voltajes de
entrada. La forma de medición se ilustra en Figura 4.2, donde dos termocuplas tipo
K son localizadas en el lado “frió"de la celda y en un disipador térmico de aluminio,
adherido con pasta térmica al lado “caliente"de la celda.
CAPÍTULO 4. DISEÑOS DE BANCOS DE PRUEBAS 14
Figura 4.2: Medición de eficiencia celdas termoeléctricas
Las señales obtenidas por las termocuplas tendrán una etapa de amplificación,
implementada con un amplificador de instrumentación ina128 con Rg = 50Ω, antes
de la etapa de recolección de datos realizada mediante un dispositivo MyDAQ. El
circuito realizado para la conexión de las termocuplas, la etapa de amplificación y
recolección se muestra en la Figura 4.3. Este será realizado como un circuito impreso
con canales de cobre, sustrato FR4 y dimensiones de 56x36mm. La recolección de
datos sobre la corriente y el voltaje de entrada se realizara visualmente mediante la
información dada por dos multímetros conectados a la respectiva fuente.
Figura 4.3: PCB de acondicionamiento de señal termocuplas tipo K
El banco de prueba será utilizado para evaluar las siguientes celdas termoeléctricas
del fabricante Custom Thermoelectric:
Thermoelectric/Peltier Module 07111-4L30-49RI
Thermoelectric/Peltier Module 24111-5L31-06CZ
Thermoelectric/Peltier Module 01711-9L31-04CJ
Thermoelectric/Peltier Module 12711-5L30-25CQ
Thermoelectric/Peltier Module 04911-5P31-14CN
CAPÍTULO 4. DISEÑOS DE BANCOS DE PRUEBAS 15
4.1.2. Coeficiente de Seebeck de películas delgadas termoeléc-
tricas
Para el calculo del coeficiente Seebeck se piensa utilizar el método diferencial
expresado por la síguete formula:
S(T ) = −dV (4T )
d4T
(4.1)
Donde
S(T ) es el coeficiente de Seebeck en función de la temperatura.
4T es la diferencia de temperatura entre dos esquinas de la película.
V es la diferencia de potencial entre los dos nodos donde se mide la temperatura.
Para la medición de estas variables se requiere crear una diferencia de temperatura
entre las dos esquinas de la película, para dicha tarea se plantea utilizar dos celdas
termoeléctricas, caracterizadas con el método anteriormente descrito, de tal forma
que una parte de la película este sobre la cara “caliente"de una celda y otra sobre
la cara “fría"de otra celda. Las celdas termoeléctricas a utilizar serán las que puedan
crear la mayor diferencia de temperatura entre sus caras en la prueba de eficiencia
mencionada anteriormente. El montaje planteado se muestra en la Figura 4.4.
Figura 4.4: Medición de coeficiente de Seebeck de película delgada termoeléctrica
La celda que aporta el nodo “frío"se encontrara sobre un disipador térmico de
aluminio adherido por pasta térmica, mientras que la otra celda estará sobre un cubo
de madera. Ambas piezas serán fijadas a una base cerámica para evitar corrimientos
y facilitar las mediciones. En estas mediciones se piensa utilizar termocuplas tipo K,
con el mismo acondicionamiento de señal expuesto en el punto anterior, junto con
un MyDAQ para la recolección de datos y un voltímetro para la medición de voltaje
entre los nodos.
Este banco de pruebas caracterizara el Graphite TIM 40 x 40mm F-4040 fabricado
por HITHERM, cinta de cobre 3M y cinta de aluminio 3M.
CAPÍTULO 4. DISEÑOS DE BANCOS DE PRUEBAS 16
4.1.3. Conductividad eléctrica de películas delgadas termo-
eléctricas
Para la medición de conductividad se opto por la técnica de Van Der Paul. Para
dicha técnica se utiliza una medición de 4 puntas en la cual cada una de las puntas
es localizada en las esquinas del material y se procede a crear un flujo de cargas entre
dos puntas mientras se mide el voltaje entre las otras dos. Enumerando las puntas
en el orden de las manecillas del reloj, tomando cualquiera como inicial, la primera
resistencia a encontrar se obtiene mediante la relación:
R12,34 =
V34
I12
(4.2)
Donde
R12,34 es la resistencia del material medida de los nodos 1 y 2 a los 3 y 4.
I12 es la corriente entre los nodos 1 y 2.
V34 es el voltaje entre los nodos 3 y 4.
Para su medición, la corriente I12 se deja fluir entre los nodos 1 y 2 mientras el voltaje
V34 es medido en los nodos 3 y 4. Posteriormente se hace la medida de la resistencia
R34,12, la cual debería ser idéntica, y se obtiene el valor R1 dado por:
R1 =
R12,34 +R34,12
2
(4.3)
Donde
R1 es la resistencia horizontal del material.
R12,34 es la resistencia del material medida de los nodos 1 y 2 a los 3 y 4.
R34,12 es la resistencia del material medida de los nodos 3 y 4 a los 1 y 2.
Se repite el proceso para obtener R23,41 y R41,23 y calcular R2.
R2 =
R23,41 +R41,23
2
(4.4)
Donde
R2 es la resistencia vertical del material.
R23,14 es la resistencia del material medida de los nodos 2 y 3 a los 1 y 4.
R14,23 es la resistencia del material medida de los nodos 1 y 4 a los 2 y 3.
La resistencia laminar del material esta dada por la síguete ecuación.
e
−πR1
Rs + e
−πR2
Rs = 0 (4.5)
Donde
CAPÍTULO 4. DISEÑOS DE BANCOS DE PRUEBAS 17
Rs es la resistencia laminar.
R1 es la resistencia horizontal del material.
R2 es la resistencia vertical del material.
La conductividad eléctrica se expresa como:
σ =
1
ρ
(4.6)
Donde
σ es la conductividad eléctrica en S
m
.
ρ es la resistividad eléctrica
Mientras que la resistividad eléctrica es descrita por la formula:
ρ = Rsd (4.7)
Donde
ρ es la resistividad eléctrica.
Rs es la resistencia laminar.
d es el espesor de la muestra.
El montaje planteado para realizar dicha medición se ilustra en la Figura 4.5, donde
se propone una plataforma ajustable por medio de tornillos y tuercas para poder
realizar la medición de 4 puntas para muestras de diferentes dimensiones. Adicional-
mente, se plantea añadir una celda termoeléctrica en la cual reposar la muestra para
poder variar la temperatura de la misma en distintas mediciones. Esto se hace con
el fin de obtener un barrido de valores de conductividad eléctrica del material para
diferentes temperaturas. La celda termoeléctrica a utilizar será la que pueda crear la
mayor diferencia de temperatura entre sus caras en la prueba de eficiencia menciona-
da anteriormente. El material de construcción propuesto es acrílico debido a su alta
resistencia eléctrica y bajo costo.
Figura 4.5: Medida de conductividad eléctrica de película delgada termoeléctrica
CAPÍTULO 4. DISEÑOS DE BANCOS DE PRUEBAS 18
Debido a que la resistencia espera baja, el método de medición está planteado
para reducir al máximo el error en la medida. Para ello, se utilizaran como puntas
agujas recubiertas con oro, para reducir la resistencia de contacto con la muestra, y
como instrumento de medición el medidor LCR PeakTech R© 2170. Este dispositivo
utiliza el accesorio de medición kelvin mostrado en la Figura 4.6.
Figura 4.6: Accesorio de medición kelvin[29]
Para la adaptación de las pinzas de medición a las agujas se utilizara la PCB
planteada en la Figura 4.7, en donde la pareja de paths sobre de la izquierda se
utilizaran para las medidas de R12,34 y R34,12 y los de la derecha para R23,41 y R41,23.
Este será realizado como un circuito impreso con canales de cobre, sustrato FR4 y
dimensiones de 49x31mm.
Figura 4.7: PCB de adaptación para accesorio de medición Kelvin
Este banco de pruebas caracterizarael Graphite TIM 40 x 40mm F-4040 fabricado
por HITHERM, cinta de cobre 3M, cinta de aluminio 3M y una lamina de silicio
recubierta con oro fabricada en el laboratorio de sala limpia de la universidad de los
Andes.
CAPÍTULO 4. DISEÑOS DE BANCOS DE PRUEBAS 19
4.2. Pruebas de ciclo de vida
4.2.1. Repetitividad en celdas termoeléctricas
La idea principal de este banco de pruebas es simular el uso continuo de una celda
en procesos repetitivos, como por ejemplo el enfriamiento de un microprocesador, y
medir si esta presenta repetitividad en sus resultados o no
Como primer paso, se fijara un voltaje de entrada para la celda en el cual se considere
que esté en uso normal, entendiéndolo como si la celda estuviera realizando una tarea
en la cual no se le exigiera llegar a sus limites de voltaje, corriente o temperatura.
Cuando este voltaje se aplique en la entrada de la celdas se considerara que esta
está activada y cuando la entrada esté en circuito abierto se considerara en reposo.
Un ciclo de funcionamiento se considerara como el paso de la celda por un estado
de activación y de reposo por un tiempo definido. El banco de pruebas consistirá en
monitorear la diferencia de temperatura entre las caras para un numero conocido de
ciclos.
Como montaje para el experimento, se ha planteado medir la diferencia de tempera-
turas con dos termocuplas tipo K a cada lado de la celda mientras que su voltaje de
entrada sea habilitado o deshabilitado por un relevador controlado la salida digital de
un arduino UNO; al mismo tiempo se realizara un almacenamiento de datos dentro
de una tarjeta micro SD. El circuito planteado se ilustra en al Figura 4.8
Figura 4.8: Circuito para el banco de pruebas de repetitividad
Las pruebas a realizar se realizaran únicamente sobre el modulo que se vea que
tenga la mayor creación de diferencia de temperatura entre sus caras en la prueba de
eficiencia mencionada anteriormente,
CAPÍTULO 4. DISEÑOS DE BANCOS DE PRUEBAS 20
4.2.2. Exposición ambiental en celdas termoeléctricas
En esta ultima prueba se desea simular la exposición al medio ambiente sobre las
celdas termoeléctricas. Para ello, a cada celda se les realizara una inmersión dentro de
la maquina Atlas UV test[30] encontrada en los laboratorios de ingeniería mecánica
de las universidad de los Andes. A las celdas se les irradiara una cantidad contante e
uniforme de luz UV durante un periodo de tiempo conocido, seguido por un aumento
de la humedad en el ambiente que se encuentran también controlado. Con esto se
espera simular el desgaste esperado al exponer dichos dispositivos a la intemperie
bajo el contacto de luz solar y lluvias. A este banco de pruebas se sometieron las
celdas termoeléctricas:
Thermoelectric/Peltier Module 07111-4L30-49RI
Thermoelectric/Peltier Module 24111-5L31-06CZ
Thermoelectric/Peltier Module 01711-9L31-04CJ
Thermoelectric/Peltier Module 12711-5L30-25CQ
Thermoelectric/Peltier Module 04911-5P31-14CN
Del fabricante Custom Thermoelectric.
Capítulo 5
Implementación de bancos de pruebas
En esta sección se pretende explicar cómo se implemento cada uno de los bancos
de pruebas expuestos anteriormente y cómo se realizo el proceso de medición en cada
uno de los casos.
5.1. Pruebas de funcionamiento
5.1.1. Eficiencia celdas termoeléctricas
El montaje final utilizado para realizar las medidas se muestra en la Figura 5.1.
Figura 5.1: Montaje realizado para la prueba de eficiencia en celdas termoeléctricas
Cabe resaltar que la razón para utilizar dos tipos de fuentes diferentes es la mayor
demanda de corriente por parte de algunas de las celdas termoeléctricas necesaria para
cubrir el mayor rango posible de caracterización. También es necesario aclarar que no
21
CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN DE BANCOS DE PRUEBAS 22
se pudo realizar una caracterización sobre todo el rango de voltajes de entrada debido
a que las celdas termoeléctricas, al ser ubicadas en un laboratorio a temperatura
cercana a 20oC, llegaban a su temperatura máxima sugerida por la hoja técnica
antes de llegar a su limite de voltaje. Superar esta limite de temperatura funde las
soldaduras de la celda y daña las conexiones tanto de los pines como las internas del
arreglo.
En cuanto a las mediciones, como se menciono antes, se realizó la recolección de
datos con un MyDAQ con un circuito de amplificación de la señal. El periodo de
adquisición de datos se fijo para cada 10 segundos y se pretendió tomar por lo menos
3 datos por cada voltaje de entrada fijado. La diferencia de voltaje de entrada entre
cada dato se fijo dependiendo del rango de voltajes que sugerían las hojas técnicas y
esperando que por lo menos existieran 8 mediciones. Por ultimo, entre cada cambio
de voltaje de entrada, se espero entre 2 y 3 minutos antes de tomar en cuenta los
datos dados tanto por las termocuplas como por los multímetros. Esto se hizo con la
intención de que la temperatura en las cada de la celda termoeléctrica se estabilizaran.
5.1.2. Coeficiente de Seebeck de películas delgadas termoeléc-
tricas
En el montaje para realizar las mediciones de coeficiente de Seebeck en laminas
delgadas se utilizaron las celdas 12711-5L30-25CQ del fabricante Custom ther-
moelectric. Esta decisión se tomo por el amplio rango de voltaje de entrada que
estas pueden soportar, lo cual facilitaba el control del cambio de las temperaturas, y
sus dimensiones similares a las muestras a evaluar en este banco de pruebas. Tam-
bién se utilizo en multímetro DM3058BE del fabricante RIGOL a diferencia de
los PeakTech utilizados en los casos. Este cambio se realizo porque la diferencia de
potencial generada en los materiales evaluadas no se ajustaba a las escalas del mul-
tímetro PeakTeach.
En la Figura 5.2 se observa el montaje utilizado para realizar las mediciones del
coeficiente de Seebeck.
CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN DE BANCOS DE PRUEBAS 23
Figura 5.2: Montaje realizado para la prueba de coeficiente de Seebeck en películas
delgadas termoeléctricas
La adquisición de datos de temperaturas se realizó con un un circuito de amplifica-
ción y MyDAQ con un periodo para la recolección de datos de 10. El procedimiento
toma de datos consistió en aplicar diferentes voltajes a las celdas termoeléctricas para
crear una diferencia de temperatura en la lamina, luego se tomaron por los menos
3 datos de temperatura en cada celda y se midió 3 veces el voltaje generado en las
esquinas de la lamina. Para cada lamina se tomaron 10 datos en diferentes diferencias
de temperatura entre sus extremos.
5.1.3. Conductividad eléctrica de películas delgadas termo-
eléctricas
En este caso el montaje de a realizar para la toma de datos requería de puntas que
nos garantizaran una baja resistencia de contacto con la lamina a medir. Para ello, se
utilizaron agujas las cuales fueron recubiertas con una capa de oro. El recubrimiento de
dichas agujas se realizo mediante una evaporación de oro utilizando los instrumentos
encontrados en el laboratorio de sala limpia de la universidad de los Andes. La capa
de recubrimiento se estima que esta cerca del espesor de 32 nm. Las cuatro puntas
utilizadas dentro del montaje pasaron por este proceso. La celda termoeléctrica a
escoger resultó ser la 12711-5L30-25CQ del fabricante Custom thermoelectric,
dados los resultados que tuvo en su caracterización. El montaje utilizado se muestra
en la Figura 5.3.
CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN DE BANCOS DE PRUEBAS 24
Figura 5.3: Montaje realizado para la prueba de conductividad eléctrica en películas
delgadas termoeléctricas
El proceso de medición consistía en depositar la muestra sobre la celda termo-
eléctrica. Luego acomodar la posición de las puntas en las esquinas de la mismo. El
contacto en este punto debía ser firme pero sin la suficiente fuerza como para tras-
pasar la muestra. Posteriormente se tomaba el Medidor LCR PeakTech R© 2170
y se acomodaban sus pinzas sobre los dos primeros paths de la PCB, contando de
izquierda a derecha, ubicada en el montaje, se tomaba un dato, se rotaba cada pinza
y se ubicaba sobre el mismopaths, se tomaba otro dato. Luego se repetía el mismo
proceso sobre los dos paths últimos de la PCB, contando de nuevo de izquierda a
derecha. Posteriormente se variaba el voltaje de entrada de la celda termoeléctrica
para aumentar la temperatura de la muestra y se repetía del proceso de medición.
5.2. Pruebas de ciclo de vida
5.2.1. Repetitividad
En este caso se realizo el cambio al microcontrolador arduino UNO para tener
una mayor facilidad en el momento de adquirir datos sin necesidad de utilizar un
computador. Como ya se dijo antes, en este banco de pruebas se planteaba medir el
rendimiento de una celda termoeléctrica a través de la repetición de la misma tarea.
El ciclo definido consistía en 2 minutos de un voltaje de entrada cercano al 80% del
voltaje máximo evaluado en la prueba de eficiencia y 2 minutos de con la entrada de la
celda en circuito abierto. Este ciclo se repitió durante un aproximadamente día dando
como resultado una prueba de más de 360 ciclos. El montaje utilizado se muestra en
la Figura 5.4.
CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN DE BANCOS DE PRUEBAS 25
Figura 5.4: Montaje realizado para la prueba de repetitividad en celdas termoeléctri-
cas
El voltaje de entrada en 1 ciclo se muestra en la Figura 5.5.
Figura 5.5: Voltaje de entrada de la celda termoeléctrica durante un ciclo
La adquisición de datos consintió en tomar 3 datos de temperatura en los últimos
CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN DE BANCOS DE PRUEBAS 26
30 segundos del ciclo cuando la celda tiene un voltaje de entrada. Para expresar los
resultados, se tomo el datos inicial de diferencia de temperatura como un 100% y a
los demás se les ajusto a dicha escala. El numero exacto de ciclos evaluados fue de
392.
5.2.2. Exposición ambiental
Para este banco de pruebas se utilizó el instrumento Atlas UV test, mostrado en
la Figura 5.6, para poder irradiar luz UV sobre las celdas termoeléctricas a evaluar y
al mismo tiempo realizar cambios de humedad sobre el ambiente en las que estas se
encontraban.
Figura 5.6: Atlas UV test
La prueba total consistió en 60 horas dentro de la maquina. Cada 10 horas se
sacó las muestras para tomarles una foto sobre la cara expuesta, revisar como se
encontraban las conexiones y medir su diferencia de temperatura para un voltaje fijo
en cada una de las celdas. La toma de datos de temperatura se realizó con el mismo
circuito de amplificación utilizado en los otros bancos de pruebas y un MyDAQ. En
esta medición se fijaba el voltaje de entrada, se esperaba a que la temperatura de
las caras se estabilizara y luego se tomaban 3 datos. Luego se devolvía la muestra la
otras 10 horas de prueba. Las muestras se acomodaron como se muestra en la Figura
5.7.
CAPÍTULO 5. IMPLEMENTACIÓN DE BANCOS DE PRUEBAS 27
Figura 5.7: Montaje realizado para la prueba de exposición ambiental en celdas ter-
moeléctricas
Cada ciclo de 10 horas se dividió en 2 procesos: el primero consistía en 8 horas
de irradiación de luz UV constante a 0.89 W
m2 a una temperatura de 60oC; la segunda
parte era un ciclo de condensación de 2 horas a una temperatura de 50oC. Para la
expresión de los resultados de diferencia de temperatura, se tomaron estos datos antes
de comenzar las pruebas y se tomó está medida como un 100%. Las demás medidas
se ajustaron a esta escala.
Adicionalmente, también se realizara un mapa de calor de las celdas utilizadas en
esta prueba y de celdas de la misma referencia que no hayan pasado por esta prueba
al mismo voltaje de entrada. Mediante esta comparativa se espera saber si las celdas
sometidas al experimento sufrieron algún daño que afecte el gradiente de calor que
generan en sus caras.
Capítulo 6
Resultados
En esta sección se presentan los resultados de los bancos de pruebas implemen-
tados, tomando los datos como se explica en el capitulo anterior. Los resultados se
expondrán basándose en las secciones mostradas en la Figura 4.1.
6.1. Caracterización de celdas termoeléctricas
6.1.1. Comportamiento celdas termoeléctricas
Las Figuras 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 y 6.5 presentan la corriente de entrada en según el
voltaje de entrada, la potencia de entrada según el voltaje de entrada, la temperatura
de la cara caliente, la temperatura de la cara fría y la diferencia de temperatura entre
las caras de la celda según su voltaje de entrada (a una temperatura de laboratorio
cercana de 20oC) según el voltaje de entrada respectivamente para todas las celdas
evaluadas.
Figura 6.1: Corriente de entrada según el voltaje de entrada celdas termoeléctricas
28
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 29
Figura 6.2: Potencia de entrada según el voltaje de entrada celdas termoeléctricas
Figura 6.3: Temperatura cara caliente en función de voltaje de entrada de las celdas
termoeléctricas
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 30
Figura 6.4: Temperatura cara fría en función de voltaje de entrada de las celdas
termoeléctricas
Figura 6.5: Diferencia de temperaturas entre las caras en función de voltaje de entrada
de las celdas termoeléctricas
6.1.2. Repetitivas celdas termoeléctricas
En las Figuras 6.6, 6.7 Y 6.8 se muestra una comparación entre los datos de consu-
mo y diferencia de temperatura generada por las celdas termoeléctricas encontrados
en este experimento con datos históricos.
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 31
(a) Corriente de entrada según voltaje de en-
trada
(b) Diferencia de temperatura entre las caras
según voltaje de entrada
Figura 6.6: Comparación con datos históricos [31] celda 01711-9L31-04CJ
(a) Corriente de entrada según voltaje de en-
trada
(b) Diferencia de temperatura entre las caras
según voltaje de entrada
Figura 6.7: Comparación con datos históricos [31] celda 01711-9L31-04CJ
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 32
(a) Corriente de entrada según voltaje de en-
trada
(b) Diferencia de temperatura entre las caras
según voltaje de entrada
Figura 6.8: Comparación con datos históricos [31] celda 12711-5L30-25CQ
El la Figura 6.9 se ilustran los resultados de la prueba de repetitividad para la
celda termoeléctrica 12711-5L30-25CQ.
Figura 6.9: Prueba de repetitividad celda termoeléctrica 12711-5L30-25CQ
La variación máxima frente el rendimiento inicial fue de 5.7 %. Sin embargo, no
se observó una linea de tendencia en el crecimiento o disminución del rendimiento de
la celda termoeléctrica.
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 33
6.2. Películas delgadas
6.2.1. Conductividad eléctrica
En la Tabla 6.1 se muestran las dimensiones de las películas delgadas evaluadas,
mientras que la Figura 6.10 contiene la conductividad eléctrica encontrada a diferentes
temperaturas.
Tabla 6.1: Espesores películas delgadas
Material Espesor (mm)
eGRAF HITHERM 0.004 [10]
Aluminio 0.08 [32]
Cobre 0.04 [33]
Figura 6.10: Conductividad eléctrica según temperatura películas delgadas
6.2.2. Coeficiente de Seebeck
En la Figura 6.11 se muestran las mediciones de voltajes en los extremos de las
películas delgadas con respecto a la diferencia de temperatura planteada para cada
una de las muestras.
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 34
Figura 6.11: Voltaje credo por efecto Seebeck según diferencia de temperatura pelí-
culas delgadas
La Tabla 6.2 muestra los coeficientes de Seebeck (pendientes) de las películas
delgadas cuando los valores mostrados en la Figura 6.11 se aproximan a una función
lineal.
Tabla 6.2: Coeficientes de Seebeck películas delgadas
Material Coeficiente de Seebeck µV
K
eGRAF HITHERM 4.3 (0-25K) 19.4 (25-55K) 47.4(55-75K)
Aluminio 3.8
Cobre 5.9
6.3. Ciclo de vida celdas termoeléctricas
Las Figuras 6.12, 6.13, 6.14, 6.15 y 6.16 muestran el estado físico de las celdas eva-
luados a través del numero de horas que estuvieron dentro de los ciclos de irradiación
y condensación.
(a) 0 horas (b) 10 horas (c) 20 horas (d) 30 horas (e) 40 horas (f) 50 horas (g) 60 horas
Figura 6.12: Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 01711-9L31-04CJ
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 35
(a) 0 horas (b) 10 horas (c) 20 horas (d) 30 horas (e) 40 horas (f) 50 horas (g) 60 horas
Figura 6.13: Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 07111-4L30-49RI
(a)0 horas (b) 10 horas (c) 20 horas (d) 30 horas (e) 40 horas (f) 50 horas (g) 60 horas
Figura 6.14: Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 04911-5P31-14CN
(a) 0 horas (b) 10 horas (c) 20 horas (d) 30 horas (e) 40 horas (f) 50 horas (g) 60 horas
Figura 6.15: Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 12711-5L30-25CQ
(a) 0 horas (b) 10 horas (c) 20 horas (d) 30 horas (e) 40 horas (f) 50 horas (g) 60 horas
Figura 6.16: Cambios físicos frente a la exposición a rayos UV celda 24111-5L31-06CZ
Las Figuras 6.17, 6.18, 6.19, 6.20 y 6.21 muestran los histogramas en escala de
grises de las caras de las celdas termoeléctricas antes y después de ser expuestas a los
ciclos de irradiación UV y condensación.
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 36
Figura 6.17: Histograma de la celda 01711-9L31-04CJ antes y después de ser expuesta
luz UV y ciclos de condensación
Figura 6.18: Histograma de la celda 07111-4L30-49RI antes y después de ser expuesta
luz UV y ciclos de condensación
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 37
Figura 6.19: Histograma de la celda 04911-5P31-14CN antes y después de ser expuesta
luz UV y ciclos de condensación
Figura 6.20: Histograma de la celda 12711-5L30-25CQ antes y después de ser expuesta
luz UV y ciclos de condensación
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 38
Figura 6.21: Histograma de la celda 24111-5L31-06CZ antes y después de ser expuesta
luz UV y ciclos de condensación
No se observó ningún daño considerable en las celdas, en los términos de que los
cables, las soldaduras internas y los materiales del arreglo no sufrieron ningún daño
aparente. El único cambio aparente fue un decoloración en el cerámico de algunas de
las celdas, como se ve de forma más clara en el corrimiento de los picos de algunos de
los histogramas. Por otro lado, en la Figura 6.22 muestra el rendimiento de las celdas
termoeléctricas según el tiempo que han estado dentro de los ciclos de irradiación y
condensación realizados.
Figura 6.22: Rendimiento de las celdas termoeléctricas a través del tiempo expuesto
CAPÍTULO 6. RESULTADOS 39
Por ultimo, se realizo un mapa de calor de las celdas termoeléctricas con las que se
realizó la prueba y con celdas en las cuales no se realizó la prueba. No se observo mucha
diferencia entre ambos comportamientos en la mayoría de los casos. Las Figuras 6.23
y 6.24 muestran dos de los resultados obtenidos.
(a) Cara “caliente” celda sin prue-
ba de durabilidad
(b) Cara “caliente” celda con
prueba de durabilidad
(c) Cara “fría” celda sin prueba de
durabilidad
(d) Cara “fría” celda con prueba
de durabilidad
Figura 6.23: Mapa de calor celda 01711-9L31-04CJ
(a) Cara “caliente” celda sin prue-
ba de durabilidad
(b) Cara “caliente” celda con
prueba de durabilidad
(c) Cara “fría” celda sin prueba de
durabilidad
(d) Cara “fría” celda con prueba
de durabilidad
Figura 6.24: Mapa de calor celda 24111-5L31-06CZ
Capítulo 7
Análisis
7.1. Caracterización de celdas termoeléctricas
7.1.1. Comportamiento celdas termoeléctricas
Observando las gráficas mostradas en el capitulo anterior, se puede apreciar que
las celdas evaluadas poseen diversas cualidades que las pueden clasificar de diferen-
tes formas entre ellas. Por ejemplo, la celda 01711-9L31-04CJ resalta por poseer la
ventaja de poder mantener temperaturas más bajas en la cara que absorbe calor co-
mo se ve en la Figura 6.4, haciéndola ideal para el trabajo de enfriamiento con un
consumo relativamente bajo. Celdas como la 049116P31-14CN, 07111-4L30-49RI y
24111-5L31-06CZ generan diferencia de temperaturas similares entre sus caras, ver
Figura 6.5, pero poseen una gran diferencia en consumos, teniendo que la celda 24111-
5L31-06CZ debe consumir casi el doble de potencia (W ), como se aprecia en la Fi-
gura 6.2, para alcanzar casi la misma diferencia de temperatura entre sus caras en
comparación con las otras dos principalmente debido al gran numero de arreglos de
semiconductores que esta posee al lado de las otras.
El propósito de la caracterización de estas celdas era encontrar la con mayor poder de
bombeo de calor, de ser posible, que tuviera la mayor diferencia de temperatura entre
sus caras. Esto se debe a que era necesario implementarla dentro de los montajes de
medición de conductividad eléctrica y coeficiente de Seebeck para películas delgadas.
Dados estos resultados, se decidió escoger para esta tarea a las celdas 12711-5L30-
25CQ por poseer las mejores características para generar una mayor diferencia de
temperaturas entre sus caras, ilustrado en la Figura 6.5,y al mismo tiempo incremen-
tar a mayor temperatura una de sus caras, Figura 6.3,en comparación con las otras
celdas.
7.1.2. Repetitivas celdas termoeléctricas
Comprobada cuál era la mejor opción para implementarla dentro de los montajes
para películas delgadas. En las pruebas de repetitivas se probo el funcionamiento de la
celda 12711-5L30-25CQ. En primera instancia, se obtuvo una gráfica comparando los
datos obtenidos en la prueba actual con datos de experimentos anteriores, ilustrado en
40
CAPÍTULO 7. ANÁLISIS 41
la Figura 6.8. El resultado resulto en valores muy similares entre ellos. Sin embargo,
se crea una pequeña diferencia cuando el voltaje de entrada a la celda aumenta.
La celda 12711-5L30-25CQ, y en general cualquier celda termoeléctrica, consta de dos
semiconductores dopados unidos en serie eléctricamente y en paralelo térmicamente.
La composición de estos termoeléctricos es lo que define la eficiencia de la celda en
sí, variaciones en la constitución de los semiconductores puede causar diferencia en
de las celdas. En la Figura 7.1 y 7.2 se muestra los elementos que constituyen los dos
semiconductores dentro de la celda 12711-5L30-25CQ.
Figura 7.1: Elementos presentes en semiconductor 1 de la celda termoeléctrica 12711-
5L30-25CQ
Figura 7.2: Elementos presentes en semiconductor 2 de la celda termoeléctrica 12711-
5L30-25CQ
CAPÍTULO 7. ANÁLISIS 42
Mediante el uso de los laboratorios del centro de microscopia de la universidad
de los Andes se obtuvo imágenes de la distribución de estos elementos dentro de un
bloque de los semiconductores que componen dicha celda. Los resultados se ilustran
en las Figuras 7.3 y 7.4
Figura 7.3: Distribución elementos en semiconductor 1 de la celda termoeléctrica
12711-5L30-25CQ
Figura 7.4: Distribución elementos en semiconductor 2 de la celda termoeléctrica
12711-5L30-25CQ
Se aprecia que no existe una distribucion uniforme de estos elementos a lo lar-
go y ancho del semiconductor. En algunos casos existen cúmulos o espacios vacíos.
Garantizar la misma distribución de estos elementos sobre todos los semiconductores
del arreglo dentro de la celda es un reto casi imposible para el fabricante. Esto es lo
CAPÍTULO 7. ANÁLISIS 43
causa las pequeñas diferencias entre las celdas existentes. Sin embargo, estas diferen-
cias mínimas entre cada uno de los semiconductores no afecta el gradiente de calor
a través de la celda en general. En la Figura 7.5 se muestra un mapa térmico de la
sección lateral de una celda termoeléctrica 12711-5L30-25CQ.
Figura 7.5: Mapa térmico celda termoeléctrica 12711-5L30-25CQ
Se observa que aunque los semiconductores dentro del arreglo no puedan ser com-
pletamente iguales, existe un gradiente de calor uniforme a través de la celda.
Por otro lado, la segunda prueba de repetitividad, mostrada en la gráfica 6.9, compara
el la diferencia de temperatura original de la celda y durante la aplicación de múltiples
ciclos de prendido y apagado. Se encontró que la celda no parecería ser perjudicada
en sí por la aplicación de múltiples ciclos de uso, pero se observo que esta presentaba
una diferencia de casi 6% en comparación con el rendimiento original cuando se le
aplica el mismo voltaje de entrada.
7.2. Películas delgadas
7.2.1. Conductividad eléctrica
Los datos obtenidos de la conductividad eléctrica a temperatura ambiente con-
cuerdan con la literatura, al tener como máximo entre los evaluados el cobre seguido
por el aluminio y un valor cercano para el grafito. También se aprecióen la Figura
6.1 que las conductividades eléctricas del cobre y el aluminio no poseen una gran de-
pendencia a la temperatura, pero la conductividad eléctrica de la película de eGRAF
HITHERM resulta tener una gran dependencia al cambiar abruptamente desde una
conductividad parecida a la de la película de aluminio a una similar a la de la película
de cobre.
CAPÍTULO 7. ANÁLISIS 44
7.2.2. Coeficiente de Seebeck
En cuanto a los coeficiente de Seebeck obtenidos, se comprueba que la lamina de
cobre y aluminio no presentan un valor considerable en en este aspecto. Sin embar-
go, vuelve a resaltar la película de eGRAF HITHERM no solo por un valor mayor
sino también por una dependencia considerable en cuanto a la temperatura como se
muestra en la Figura 6.11.
Con la información anteriormente dada podemos concluir fácilmente que, entre las
películas delgadas evaluadas, la película de eGRAF HITHERM puede llegarse a des-
tacase mejor como termoeléctrico. Esto se debe a que posee el mayor coeficiente de
Seebeck y una considerable conductividad eléctrica al aumentar la temperatura de la
muestra. Este resultado era de esperase debido a que esta película es la única dise-
ñada para este propósito, no como las cintas de cobre y aluminio hechas por 3M. Sin
embargo, también parecería que el cobre podría destacar en este aspecto por tener
una elevada conductividad eléctrica, cosa que es falsa porque la alta conductividad
térmica del cobre reduce notoriamente la figura de merito. Lo cual nos indica que
la conductividad térmica no debería obviada para analizar la eficiencia de películas
delgadas como termoeléctricos.
7.3. Ciclo de vida celdas termoeléctricas
Las pruebas de ciclo de vida probaron los daños físicos y de rendimiento que puede
presentar una celda termoeléctrica al ser expuesta a luz UV y ambientes con alta
humedad. Se observo que las celdas despues de 60 horas de pruebas no presentaron
gran cambio físico, como rasguños, desgaste de las caras, los cable, los semiconductores
o las soldaduras. Solo se logra notar un cambio de color en la cara expuesta luz UV
como se muestra en el cambio de los picos de los histogramas mostrados en las Figuras
6.19, 6.20 y 6.21.
Por otro lado, al evaluar su rendimiento, sí se llegaron anotar grandes diferencias entre
las celdas antes de comenzar la exposición a después de haber sido expuestas, llegando
incluso a tener un 20% de diferencia con el original como se ve en la Figura 6.22.
Adicionalmente, se ven algunas discrepancias mayores en los rendimiento en la mitad
de la gráfica. Esto se debe a que en esos puntos se realizo las medidas con las celdas
ligeramente húmedas, lo cual nos dice que estas presentan mayores variaciones cuando
están en un ambiente altamente húmedo. Aunque las variaciones en rendimiento no
sean tan altas como para considerarlas obsoletas después de esta prueba, sí se logra
entender que las celdas resultan ser sensibles a la humedad o a la luz UV.
Por ultimo, la evaluación del mapa de calor nos revela que, aunque la diferencia de
temperatura creada entre sus caras sí vario en este proceso, la distribución de calor en
sus caras sigue siendo uniforme. Esto nos indica que las celdas no presentan un daño
suficiente en alguna de sus secciones como para ya no permitir el flujo de calor, y por
ende pueden seguir trabajando después de ser expuestas a un prueba en ambientes
de alta humedad y luz UV, aunque ya no posean la misma eficiencia.
Capítulo 8
Conclusiones
Se aprecia las diferencias tanto de consumo como de flujo de calor en diferentes re-
ferencias de celdas termoeléctricas, encontrado que algunas resultan poseer ventajas
sobre otras en ciertas aplicaciones. Adicionalmente, se observo que las celdas ter-
moeléctricas poseen cierta repetitividad tanto entre diferentes módulos de la misma
referencia como con sigo mismas al serles aplicados varios ciclos de funcionamiento.
También se entendió que estas no parecen ser afectadas en gran manera por el uso
recurrente, aunque sí presentan una dependencia mayor en cuanto a factores como la
humedad y pueden llegar a cambiar ligeramente su apariencia física al ser expuestas
a gran cantidad de luz UV. Dificultando su implementación en la intemperie.
Por último, se presentaron dos métodos para realizar el cálculo de la conductividad
electrónica y el coeficiente de Seebeck en películas delgadas en función de la tempe-
ratura. Con lo cual se proporcionó una base para el calculo de la figura de méritos de
las mismas y su evaluación como termoeléctricos.
En conclusión, se diseñaron bancos de prueba implementado protocolos para la eva-
luación de celdas termoeléctricas y películas delgadas como termoeléctricos.
45
Capítulo 9
Trabajos futuros
En el proyecto expuesto se encuentran 3 principales cuestiones a mejorar si se
desea continuar con este tipo de experimentaciones.
1. Control de temperatura en celdas termoeléctricas: A pesar de que la
evaluación realizada a cada una de las celdas termoeléctricas las llevaron a su
temperatura limite de temperatura recomendado, no se pudo llegar a caracteri-
zar todo el rango de voltajes de entrada que estas tenían por sugerido. Esto se
debió a que, en la mayoría de los casos, las celdas termoeléctricas alcanzaban
su limite de temperatura antes de alcanzar su limite de voltaje de entrada. Al
superar la temperatura maxima sugerida las soldaduras internas de la celda se
derretían causando el desmantelamiento de la misma, y por ende terminando
la experimentación en la misma. Para solucionar esto se propondría realizar la
experimentación en un escenario donde la celda termoeléctrica pueda encon-
trarse en un ambiente con menor temperatura en comparación con la de un
laboratorio, disminuyendo la temperatura que debería alcanzar su cara con ma-
yor temperatura hasta que fuera posible evaluar todo el rango de voltajes de
entrada sugeridos sin llegar a dañar la muestra.
2. Durabilidad de exposición a luz UV y ciclos de condensación: A pesar
de que no se ha encontrado literatura en la cual se muestren pruebas similares de
irradiación de luz UV y ciclos de condensación sobre un celda termoeléctrica, la
mayoría de los estudios que plantean este tipo de pruebas sobre otros materiales
[34][35] o componentes eléctricos [36] suelen tener una duración mucho mayor
al mostrado en este proyecto. Normalmente se recomiendan pruebas de entre
100 y 500 horas de exposición. Sin embargo, esto no podía ser realizado en este
proyecto debido a las limitaciones de disponibilidad y costo del equipo utilizado.
Para obtener resultados más completos se debería replicar este experimento con
numero de horas de exposición mucho mayor al encontrado en este proyecto.
3. Conductividad térmica en películas delgadas: Para poder determinar la
figura de merito, contante que como se explico anteriormente sirve para evaluar
el comportamiento de un material como termoeléctrico, debe obtenerse el coefi-
ciente de Seebeck, la conductividad eléctrica y la conductividad térmica. En este
46
CAPÍTULO 9. TRABAJOS FUTUROS 47
proyecto se plantearon mediciones del coeficiente de Seebeck y la conductividad
eléctrica. Sin embargo, no se pudo realizar la medición de la conductividad tér-
mica en películas delgadas debido a su dificultar para implementar un banco de
pruebas en el cual se puedan realizar medidas en múltiples muestras. Sin este
parámetro el comportamiento de las películas delgadas como termoeléctricos no
puede ser descrito de forma completa. Por lo cual una clara mejora para este
proyecto seria la implementación de mediciones de la conductividad térmica en
películas delgadas termoeléctricas.
Apéndice A
Anexos
Protocolos planteados:
1. Protocolo para caracterización de celdas termoeléctricas: dx.doi.org/10.17504/
protocols.io.2ywgfxe
2. Protocolo para estimación de coeficiente Seebeck en películas delgadas: dx.doi.
org/10.17504/protocols.io.2y6gfze
3. Protocolo para estimación de la conductividad eléctrica en películas delgadas:
dx.doi.org/10.17504/protocols.io.2y4gfyw
48
dx.doi.org/10.17504/protocols.io.2ywgfxedx.doi.org/10.17504/protocols.io.2ywgfxe
dx.doi.org/10.17504/protocols.io.2y6gfze
dx.doi.org/10.17504/protocols.io.2y6gfze
dx.doi.org/10.17504/protocols.io.2y4gfyw
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	Resumen
	Agradecimientos
	Introducción
	Objetivos
	Objetivos generales
	Objetivos específicos
	Marco teórico
	Efecto termoeléctrico
	Efecto Seebeck
	Efecto Peltier
	Efecto Thomson
	Eficiencia
	Termoeléctricos
	Celdas termoeléctricas
	Laminas delgadas termoeléctricas
	Antecedentes
	Diseños de bancos de pruebas
	Pruebas de funcionamiento
	Eficiencia celdas termoeléctricas
	Coeficiente de Seebeck de películas delgadas termoeléctricas
	Conductividad eléctrica de películas delgadas termoeléctricas
	Pruebas de ciclo de vida
	Repetitividad en celdas termoeléctricas
	Exposición ambiental en celdas termoeléctricas
	Implementación de bancos de pruebas
	Pruebas de funcionamiento
	Eficiencia celdas termoeléctricas
	Coeficiente de Seebeck de películas delgadas termoeléctricas
	Conductividad eléctrica de películas delgadas termoeléctricas
	Pruebas de ciclo de vida
	Repetitividad
	Exposición ambiental
	Resultados
	Caracterización de celdas termoeléctricas
	Comportamiento celdas termoeléctricas
	Repetitivas celdas termoeléctricas
	Películas delgadas
	Conductividad eléctrica
	Coeficiente de Seebeck
	Ciclo de vida celdas termoeléctricas
	Análisis
	Caracterización de celdas termoeléctricas
	Comportamiento celdas termoeléctricas
	Repetitivas celdas termoeléctricas
	Películas delgadas
	Conductividad eléctrica
	Coeficiente de Seebeck
	Ciclo de vida celdas termoeléctricas
	Conclusiones
	Trabajos futuros
	Anexos