什麼是熱電材料呢?

2021-02-15 材料科學與工程

隨著全球工業化進程的加快, 世界能源短缺和枯竭已經成為每個國家不容忽視的問題, 嚴重製約著社會長期穩定發展。研究和開發新能源已經成為全球能源發展的趨勢。

生活中有許多耗費能源所生成、卻又被廢棄的熱能，例如：汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等等。如果能將這些熱能善加利用，即可成為再次使用的能源；電能是最廣泛使用的能源形式,但是目前發電的主要形式還是化石能源，這些能源的使用在給我們帶來便利的同時，也帶來了全球關注的環境問題；現代製冷技術給人們生活帶來了很多便利，但是氟裡昂製冷劑所帶來的環境問題卻不容忽視。熱電材料以其獨特的性能成為一種很有發展前途的功能材料, 它的應用包括溫差發電和溫差製冷。

什麼是熱電材料呢？熱電材料是一種利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料。人們對熱電材料的認識具有悠久的歷史。1823年，德國人塞貝克（Seebeck）發現了材料兩端的溫差可以產生電壓，也就是通常所說的溫差電現象。1834年，法國鐘錶匠珀耳帖（Peltier）在法國《物理學和化學年鑑》上發表了他在兩種不同導體的邊界附近（當有電流流過時）所觀察到的溫差反常的論文。這兩個現象表明了熱可以致電，而同時電反過來也能轉變成熱或者用來製冷，這兩個現象分別被命名為塞貝克效應和珀耳帖效應。它們為熱電能量轉換器和熱電製冷的應用提供了理論依據。在環境汙染和能源危機日益嚴重的今天，進行新型熱電材料的研究具有很強的現實意義。

　

圖1 熱電器件Bi2Te3模塊　

  
 圖2 環保型冰箱 

熱電材料的應用不需要使用傳動部件，工作時無噪音、無排棄物，和太陽能、風能、水能等二次能源的應用一樣，對環境沒有汙染，並且這種材料性能可靠，使用壽命長，是一種具有廣泛應用前景的環保材料。現在市面上有一種移動型冰箱，適用於旅行郊遊時冰凍飲料及食品保存等。這種冰箱的特色除了方便攜帶外，它並不使用壓縮機，沒有噪音，天氣冷時還可搖身一變成為保溫器。隱身在這種冰箱後的核心技術，就是裡面的熱電材料。

熱電材料的應用很神奇，它通入電流之後會產生冷熱兩端，故可以用來冷卻也可以用來保溫。而如果同時在兩端接觸不同溫度時，則會在內部迴路形成電流，溫差越大產生的電流越強，這就啟發了一種新思維：用熱電材料接收外界熱源來產生電力。這種概念並不是空中樓閣，目前日本和德國都已開發出利用人體體溫與外界環境溫度差異，進而產生電力來驅動手錶。

 圖3 環保手錶

近年來由於在技術上熱電材料性能的不斷提升，及環保等因素，利用熱電轉換技術，進一步將大量廢熱回收轉為電能的方式，普遍得到日、美、歐等先進國家的重視。低溫餘熱、特別是140℃以下的廢熱再利用，增加了熱電發電的競爭力，一些新興應用研究諸如垃圾焚燒餘熱、煉鋼廣的餘熱、利用汽車以及發動機尾氣的餘熱進行熱電發電，為汽車提供輔助電源的研究也正在進行，並且有部分成果已實際應用，相信在不久的將來會廣泛使用。

 

圖4廢熱回收發電器


圖5發動機餘熱發電

世界各國在推進熱電轉換技術應用的同時，也在不斷地進行著新型高性能熱電材料的研究和探索。如果將熱電材料技術應用於上述的大規模電廠發電或普通的製冷器，那麼我們的生活環境將大為改觀。隨著科學技術的進步，熱電材料的性能會不斷得到提高，制約熱電器件應用的一些難題也會得到逐步解決，其應用會越來越廣泛，必將成為社會發展的新動力。

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來源： 上海矽酸鹽研究所。編輯：SARS

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