ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2026-26-4-732-738ntv-641Research ArticleНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESМоделирование структуры и характеристик термоэлектрических устройств на основе соединений магнияModeling of the structure and characteristics of thermoelectric generators based on magnesium compoundshttps://orcid.org/0009-0003-6235-7187ДашинаЗ. А.DashinaZ. A.

Дашина Злата Александровна — лаборант

Санкт-Петербург, 197101

Zlata A. Dashina — Laboratory Assistant

Petersburg, 197101

avasach@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9509-2048АсачА. В.AsachA. V.

Асач Алексей Владимирович — кандидат технических наук, старший преподаватель

sc 57023883800

Санкт-Петербург, 197101

Alexey V. Asach — PhD, Senior Lecturer

Petersburg, 197101

avasach@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1763-4224ИсаченкоГ. Н.IsachenkoG. N.

Исаченко Григорий Николаевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

sc 14066141100

Санкт-Петербург, 194021

Grigory N. Isachenko — PhD (Physics & Mathematics), Senior Researcher

sc 14066141100

Saint Petersburg, 194021

avasach@itmo.ruhttps://orcid.org/0009-0000-9610-9155БыковскаяЕ. А.BykovskayaE. A.

Быковская Елена Александровна — старший преподаватель

sc 57213518219

Санкт-Петербург, 197101

Elena A. Bykovskaya — Senior Lecturer

sc 57213518219

Petersburg, 197101

eabykovskaia@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian FederationФизико-технический институт имени А.Ф. ИоффеРоссияIoffe InstituteRussian Federation202627082026264732738Copyright © Дашина З.А., Асач А.В., Исаченко Г.Н., Быковская Е.А., 20262026Дашина З.А., Асач А.В., Исаченко Г.Н., Быковская Е.А.Dashina Z.A., Asach A.V., Isachenko G.N., Bykovskaya E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/641

Введение. В связи с глобальным изменением климата остро стоит задача декарбонизации и повышения эффективности процессов и устройств энергетического сектора экономики. Одним из направлений повышения энергетической эффективности является рекуперация низкопотенциального тепла за счет применения термоэлектрических генераторов (ТЭГ). Перспективными материалами для таких устройств являются силициды. Однако их применение ограничивается недостаточной термостабильностью при высоких температурах. В частности, высокоэффективный материал — твердый раствор силицида и станнида магния (Mg2Si0,4Sn0,6) деградирует при температурах выше 400 °C, в то время как более стабильный силицид магния (Mg2Si) обладает меньшей термоэлектрической эффективностью. Для преодоления этого ограничения предлагается использование сегментированной конструкции n-ветви ТЭГ, сочетающей оба материала. Целью работы является моделирование и оптимизация ТЭГ, содержащего сегментированную ветвь n-типа, для расширения рабочего температурногодиапазона при сохранении высокого коэффициента полезного действия. Метод. Исследование выполнено методом компьютерного моделирования в программной среде COMSOL Multiphysics. Разработана трехмерная стационарная модель ТЭГ, состоящего из 127 пар термоэлектрических ветвей. Ветвь p-типа выполнена из высшего силицида марганца. Сегментированная ветвь n-типа состоит из Mg2Si на горячей стороне и Mg2Si0,4Sn0,6 на холодной. В модели использовались модули для описания процессов теплопереноса и электропереноса с учетом термоэлектрического эффекта. Учитывался тепловой контакт между различными частями генератора. Для анализа влияния геометрии варьировалось соотношение высот сегментов (от 30 % до 80 % для Mg2Si0,4Sn0,6). Для генератора с оптимальным соотношением высот сегментов построены рабочие характеристики ТЭГ. Основные результаты. Согласно результатам моделирования коэффициент полезного действия модуля с сегментированной ветвью повышается до 5,3 % по сравнению с 2,9 % на ТЭГ, n-ветви которого состоят только из Mg2Si при температуре на горячем спае 500 °С. При определенной конфигурации сегментированной ветви такой температурный режим становится допустимым, а результаты модели сопоставимы с коммерчески доступными устройствами. Обсуждение. Результаты компьютерного моделирования демонстрируют, что предложенная конструкция сегментированного силицидного ТЭГ является эффективным решением для преодоления ограничения по термической стабильности высокоэффективного материала Mg2Si0,4Sn0,6. Предложенная конструкция позволяет существенно расширить рабочий температурный диапазон устройства при приемлемом уровне коэффициента полезного действия.

In the context of global climate change, the imperative for decarbonization and improvement in efficiency of processes and equipment within the energy sector has become increasingly urgent. One promising approach to improving energy efficiency involves the recovery of low-grade waste heat through the implementation of thermoelectric generators (TEG). Silicide-based materials are considered promising for such devices. However, their utilization is constrained by insufficient thermal stability at elevated temperatures. Specifically, the efficient material Mg2Si0.4Sn0.6 undergoes degradation above 400 °C, whereas the more thermally stable Mg2Si has lower thermoelectric performance. To address this limitation, a segmented design of the n-type leg in TEG is proposed, integrating both materials. The objective of this study is to model and optimize a TEG with a segmented n-type leg, thereby extending the operational temperature range while maintaining high energy conversion efficiency. The simulation was performed with COMSOL Multiphysics software. A three-dimensional stationary model of a TEG consisting of 127 leg pairs has been developed. The p-type leg was composed of the higher manganese silicide MnSi1.75. The segmented n-type leg consisted of Mg2Si on the hot side and Mg2Si0.4Sn0.6 on the cold side. The model employed modules to describe the processes of thermal transport and electrical transport, taking into account the thermoelectric effect. Thermal contact between different parts of the generator was taken into account. To analyze the influence of geometry, the height ratio of the segments varied (with Mg2Si0.4Sn0.6 ranging from 30 % to 80 % of the total leg height). According to the simulation results, the efficiency of the module with a segmented n-type leg increases to 5.3 % compared to 2.9 % for a TEG with n-type legs consisting only of Mg2Si, at a hot-side temperature of 500 °C. With an optimized segmented-leg configuration, this temperature regime becomes acceptable, and the simulated performance is comparable to commercially available generators. The simulation results demonstrate that the proposed segmented silicide-based TEG effectively addresses the thermal stability problem of Mg2Si0.4Sn0.6. This TEG configuration substantially extends the generator operating temperature range while maintaining an acceptable level of efficiency.

мультифизическое моделированиеCOMSOL Multiphysicsтермоэлектрический генераторсилицид магниявысший силицид марганцаmultiphysics modelingCOMSOL Multiphysicsthermoelectric generatormagnesium silicidehigher manganese silicideReferencesSaidur R., Rezaei M., Muzammil W.K., Hassan M.H., Paria S., Hasanuzzaman M. Technologies to recover exhaust heat from internal combustion engines // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2012. V. 16. N 8. P. 5649–5659. doi: 10.1016/j.rser.2012.05.018Saidur R., Rezaei M., Muzammil W.K., Hassan M.H., Paria S., Hasanuzzaman M. Technologies to recover exhaust heat from internal combustion engines. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, vol. 16, no. 8, pp. 5649–5659. doi: 10.1016/j.rser.2012.05.018He J., Tritt T.M. Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward // Science. 2017. V. 357. N 6358. P. eaak9997. doi: 10.1126/science.aak9997He J., Tritt T.M. Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward. Science, 2017, vol. 357, no. 6358, pp. eaak9997. doi: 10.1126/science.aak9997Olabi A.G., Al-Murisi M., Maghrabie H.M., Yousef B.A.A., Sayed E .T., Alami A .H., et al. Potential applications of thermoelectric generators (TEGs) in various waste heat recovery systems // International Journal of Thermofluids. 2022. V. 16. P. 100249. doi: 10.1016/j.ijft.2022.100249Olabi A.G., Al-Murisi M., Maghrabie H.M., Yousef B.A.A., Sayed E.T., Alami A.H., et al. Potential applications of thermoelectric generators (TEGs) in various waste heat recovery systems. International Journal of Thermofluids, 2022, vol. 16, pp. 100249. doi: 10.1016/j.ijft.2022.100249Wang B., Zhao H., Li J., Zhang B., Wang D., Chen C., et al. Enhanced thermoelectric performance of Sb-doped Mg2Si0.4Sn0.6 via doping, alloying and nanoprecipitation // Journal of Materiomics. 2024. V. 10. N 2. P. 285–292. doi: 10.1016/j.jmat.2023.06.001Wang B., Zhao H., Li J., Zhang B., Wang D., Chen C., et al. Enhanced thermoelectric performance of Sb-doped Mg2Si0.4Sn0.6 via doping, alloying and nanoprecipitation. Journal of Materiomics, 2024, vol. 10, no. 2, pp. 285–292. doi: 10.1016/j.jmat.2023.06.001Goyal G.K., Mukherjee S., Mallik R.C., Vitta S., Samajdar I., Dasgupta T. High thermoelectric performance in Mg2(Si0.3Sn0.7) by enhanced phonon scattering // ACS Applied Energy Materials. 2019. V. 2. № 3. P. 2129–2137. doi: 10.1021/acsaem.8b02148Goyal G.K., Mukherjee S., Mallik R.C., Vitta S., Samajdar I., Dasgupta T. High thermoelectric performance in Mg2(Si0.3Sn0.7) by enhanced phonon scattering. ACS Applied Energy Materials, 2019, vol. 2, no. 3, pp. 2129–2137. doi: 10.1021/acsaem.8b02148Федоров М.И. Термоэлектрические силициды: прошлое, настоящее и будущее // Термоэлектричество. 2009. № 2. С. 53–64.Fedorov M.I. Thermoelectric silicides: past, present and future. Journal of Thermoelectricity, 2009, no. 2, pp. 51–60.Кузнецов Ю.М. Дорохин M.В., Калентьева И.Л., Здоровейщев А.В., Демина П.Б., Ерофеева И.В. [и др.] Синтез и термоэлектрические свойства высшего силицида марганца // Физика и техника полупроводников. 2024. Т. 58. № 7. С. 376–380. doi: 10.61011/FTP.2024.07.59181.6350HKuznetsov Yu.M. Dorokhin M.V., Kalentyeva I.L., Zdoroveyshchev A.V., Demina P.B., Erofeeva I.V., et al. Synthesis and thermoelectric properties of higher manganese silicide. Semiconductors, 2024, vol. 58, no. 7, pp. 345–350. doi: 10.61011/SC.2024.07.59543.6350HMouko H.I., Romanjek K., Mejri M., Oulfarsi M., El Oualid S., Malinconi P., et al. Manufacturing and performances of silicide-based thermoelectric modules // Energy Conversion and Management. 2021. V. 242. P. 114304. doi: 10.1016/j.enconman.2021.114304Mouko H.I., Romanjek K., Mejri M., Oulfarsi M., El Oualid S., Malinconi P., et al. Manufacturing and performances of silicide-based thermoelectric modules. Energy Conversion and Management, 2021, vol. 242, pp. 114304. doi: 10.1016/j.enconman.2021.114304Mejri M., Malard B., Thimont Y., Romanjek K., Mouko H.I., Estournès C. Thermal stability of Mg2Si0.55Sn0.45 for thermoelectric applications // Journal of Alloys and Compounds. 2020. V. 846. P. 156413. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.156413Mejri M., Malard B., Thimont Y., Romanjek K., Mouko H.I., Estournès C. Thermal stability of Mg2Si0.55Sn0.45 for thermoelectric applications. Journal of Alloys and Compounds, 2020, vol. 846, pp. 156413. doi: 10.1016/j.jallcom.2020.156413Skomedal G., Holmgren L., Middleton H., Eremin I.S., Isachenko G.N., Jaegle M., et al. Design, assembly and characterization of silicide-based thermoelectric modules // Energy Conversion and Management. 2016. V. 110. P. 13–21. doi: 10.1016/j.enconman.2015.11.068Skomedal G., Holmgren L., Middleton H., Eremin I.S., Isachenko G.N., Jaegle M., et al. Design, assembly and characterization of silicide-based thermoelectric modules. Energy Conversion and Management, 2016, vol. 110, pp. 13–21. doi: 10.1016/j.enconman.2015.11.068Brito F.P., Peixoto J.S., Martins J., Gonçalves A.P., Louca L., Vlachos N., et al. Analysis and design of a silicide-tetrahedrite thermoelectric generator concept suitable for large-scale industrial waste heat recovery // Energies. 2021. V. 14. N 18. P. 5655. doi: 10.3390/en14185655Brito F.P., Peixoto J.S., Martins J., Gonçalves A.P., Louca L., Vlachos N., et al. Analysis and design of a silicide-tetrahedrite thermoelectric generator concept suitable for large-scale industrial waste heat recovery. Energies, 2021, vol. 14, no. 18, pp. 5655. doi: 10.3390/en14185655Jung J.Y., Kim I.H. Synthesis and thermoelectric properties of n-Type Mg2Si // Electronic Materials Letters. 2010. V. 6. N 4. P. 187–191. doi: 10.3365/eml.2010.12.187Jung J.Y., Kim I.H. Synthesis and thermoelectric properties of n-Type Mg2Si. Electronic Materials Letters, 2010, vol. 6, no. 4, pp. 187–191. doi: 10.3365/eml.2010.12.187Guo W., Li J., Pan H., Deng Y., Chen B., Jing R., et al. Improving n-type thermoelectric performance of Mg2Si0.4Sn0.6 compounds via high pressure and Sb-doping // Journal of Alloys and Compounds. 2024. V. 1002. P. 175366. doi: 10.1016/j.jallcom.2024.175366Guo W., Li J., Pan H., Deng Y., Chen B., Jing R., et al. Improving n-type thermoelectric performance of Mg2Si0.4Sn0.6 compounds via high pressure and Sb-doping. Journal of Alloys and Compounds, 2024, vol. 1002, pp. 175366. doi: 10.1016/j.jallcom.2024.175366Jayachandran B., Prasanth B., Gopalan R., Dasgupta T., Sivaprahasam D. Thermally stable, low resistance Mg2Si0.4Sn0.6/Cu thermoelectric contacts using SS 304 interlayer by one step sintering // Materials Research Bulletin. 2021. V. 136. P. 111147. doi: 10.1016/j.materresbull.2020.111147Jayachandran B., Prasanth B., Gopalan R., Dasgupta T., Sivaprahasam D. Thermally stable, low resistance Mg2Si0.4Sn0.6/Cu thermoelectric contacts using SS 304 interlayer by one step sintering. Materials Research Bulletin, 2021, vol. 136, pp. 111147. doi: 10.1016/j.materresbull.2020.111147Ordonez-Miranda J., Hermens M., Nikitin I., Kouznetsova V.G., van der Sluis O., Ras M.A., et al. Measurement and modeling of the effective thermal conductivity of sintered silver pastes // International Journal of Thermal Sciences. 2016. V. 108. P. 185–194. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2016.05.014Ordonez-Miranda J., Hermens M., Nikitin I., Kouznetsova V.G., van der Sluis O., Ras M.A., et al. Measurement and modeling of the effective thermal conductivity of sintered silver pastes. International Journal of Thermal Sciences, 2016, vol. 108, pp. 185–194. doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2016.05.014

The authors declare that there are no conflicts of interest present.