熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料，它可以把熱直接轉換為電，反過來又可以把電直接轉換成熱。這是因為有一種物理現象熱電效應：由溫差產生電壓的直接轉換，且反之亦然。它是由Seebeck效應、Peltier效應及湯姆遜效應發展而來。
塞貝克效應 (亦稱席貝克效應) 是不同的材料，在接面處將熱能直接轉換為電能的特性。它被德國的物理學家託馬斯．約翰．塞貝克 (Thomas Johann Seebeck) 發現的：兩種金屬合成的指南針，在溫度變化下，會產生磁場的變化，因此發現了熱磁效應。之後為丹麥的物理學家漢斯·奧斯特 (Hans Christian Orsted)，正名為「熱電效應」。Peltier效應：將一滴水置於鉍(Bi)和銻(Sb) 的接點上, 通以正向電流, 水滴結成冰, 通以反向電流, 冰融化成水, 此效應稱為製冷效應。帕爾帖效應即為塞貝克效應的反效應，即當在兩種金屬迴路中加入電源產生電勢後，不同金屬的接觸點會有一個溫差。當電流在溫度不均勻的導體中流過時，導體除產生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）。或者反過來，當一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。這一現象後叫湯姆孫效應（Thomson effect）
那麼熱電材料的性能怎麼評估呢？通過ZT參數可以來標準熱電材料的性能，也就是製造的溫差所能產生的功率。ZT參數受材料晶格、電荷、軌道、自旋的影響。通過這四個自由度可以影響ZT值。詳見下圖（圖片來自文獻2，為了閱讀方便我做了翻譯）
ZT值越高，其實用價值越高。熱電材料的發展一直都是受應用驅動的。能源危機讓熱電材料的發展非常迅速。現在的化工廠、煉鋼廠、熱發電站等如果能夠使用熱電材料將餘熱轉化為電能，將會產生巨大的經濟效益和環保效益。
ZT >1 13% 具有商業使用的潛力ZT >2 20% 具有大規模商業使用的潛力ZT >3.5 35% 此熱電材料的效率，已經接近壓縮機
那麼現在的熱電材料的ZT是多少呢？文獻中給出了不同體系熱電材料在不同時候的ZT值，把1960年以來的熱電材料按照橫坐標為時間，縱坐標為ZT值來排列，就可以看到熱電材料隨著時間的發展，ZT值隨著時間發展越來越高。在1990年以前的材料ZT < 1.0 有Bi2Te3，PbTe和SiGe等體系。而中間部分則是通過納米技術令材料的ZT值達到了1.7。而2010年以後科學家們發現了更多的熱電材料，並且還有材料的ZT值大於2，SnSe甚至大於2.5。具有大規模商業化的潛力。
對比一下全球能量轉換技術的發電效率。熱電和其他能量轉換技術相比，其效率還太低，可以看到，目前煤電、太陽能、核能等是發電效率比較高的。在熱源溫度800多K的煤電，其ZT達到了20。甚至發電效率較低的其他發電方式也都在ZT>4的區間上。因此21世紀，熱電材料若要大規模應用起來，需要開發出更高性能的熱電材料。
當然科學家們樂於接受這個挑戰，他們利用了許多的跨學科的知識來嘗試解決這些問題。甚至有利用材料基因組工程的技術來對不同材料進行理論計算和大數據的分析，從而建立模型對材料進行篩選。新材料將衍生出新的行業，未來的能源必定更加高效和清潔！
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[1]Zhang X, Zhao L D. Thermoelectric materials: Energy conversion between heat and electricity[J]. Journal of Materiomics, 2015, 1(2): 92-105.
[2]He J, Tritt T M. Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward[J]. Science, 2017, 357(6358): eaak9997.