起底：靠溫差就可以發電的材料

經常關注一些新穎的電子產品的人，應該見過宣傳自家的電子產品永遠不需要充電，單靠人體就可以的廣告。且不論其中的水分，單靠人體能不能發電？答案是能的，熱電材料就可以。

顧名思義，熱電材料是一種可以實現熱能和電能直接轉換的功能材料。

說起熱電材料這種獨特的性能發現，就不得不提三個人，以及以他們的名字命名的三個效應。

1821年，德國科學家塞貝克(Seebeck) 將兩種不同的金屬導線連接在一起構成一個電流回路，并在兩個結點處保持不同的溫度，結果發現導線周圍的指南針發生了偏轉。因此，這種由于溫差產生電勢的效應被稱為塞貝克效應(Seebeck effect)。而導線兩端的電壓差與溫度差的比值，就稱為塞貝克系數。

1834年，法國科學家帕爾貼(Peltier)發現了塞貝克效應的逆效應。他將兩種金屬導線連接在一起并通以電流，結果發現接頭處的水結成了冰，這種現象為珀爾帖效應。

1856年，英國物理學家湯姆遜發現如果在有溫度梯度的均勻導體中通過電流時，導體中除了產生不可逆的焦耳熱外，還要吸收或放出一定的熱量， 這一現象定名為湯姆遜效應。

那么，為什么會有這種熱電現象呢？上圖是半導體材料的塞貝克效應（圖左）和珀爾帖效應（圖右）的示意圖。

當對半導體兩端造成溫差時，熱端載流子（電子或者空穴）具有比冷端附近載流子更高的動能，而且熱端受激發進入導帶或價帶的載流子也會更多，從而造成了載流子從熱端向冷端擴散。而載流子的聚集會形成電場，從而阻礙擴散。當達到一個平衡時，載流子不再擴散，半導體兩端產生出一個電動勢。這就是溫差發電。

那么它的逆過程又是如何呢？不同的半導體中載流子的勢能不同，因此在異種材料的結合處與晶格發生能量交換，在宏觀上就產生界面附近的吸熱或放熱現象。

看到這里，相信很多人會想到熱電材料可以用來發電或者制冷。

熱電材料溫差發電技術最早開始于20世紀40年代。相比于其他發電技術，溫差發電有結構簡單、堅固耐用、無運動部件、無噪聲、 使用壽命長等特點，在航天、航空、軍事等領域得到應有。隨著技術發展，溫差發電在利用太陽能、地熱能、工業廢熱、汽車尾氣廢熱、人體熱方面也有應用。

而熱電制冷主要應用有民用領域的車載冰箱、除濕器、小型飲料機、車用冷杯、冷帽、汽車座椅、化妝品存儲箱等，以及電子領域的CPU測試平臺、冷風裝置、冷卻板、大功率LED散熱器、投影儀制冷等。

同樣是溫差發電或者電致冷，哪種材料的效果更好？德國科學家艾特克西(Altenkirch)指出，一種良好的熱電材料必須具備較大的塞貝克系數、較高的電導率、較低的熱導率。因此材料的熱電性能就可以用一個統一的ZT值來表示。ZT值越高，材料的最大轉換效率越高。一般而言，ZT值大于1，方有實用價值。

熱電優值難以獲得突破的關鍵因素在于決定ZT值的三個參數(電導率、塞貝克系數和熱導 率)之間的相互關聯，很難通過獨立調控某個參數實現ZT值的大幅提升。增加載流子濃度會提高電導率，但同時會減小塞貝克系數并增大載流子熱導率。增大載流子有效質量則提高了塞貝克系數，但理論上對遷移率有著不利影響。

目前，已發現ZT值大于2的熱電材料，但仍然還需要更進一步的提高。

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