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熱電轉(zhuǎn)換材料是利用材料內(nèi)部載流子與聲子的輸運來實現(xiàn)熱能與電能之間直接相互轉(zhuǎn)換的一類新型能源材料，在溫差發(fā)電和半導(dǎo)體制冷兩方面有著重要應(yīng)用。1821年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）、1834年發(fā)現(xiàn)的珀爾帖效應(yīng)（Peltier effect）和1855年發(fā)現(xiàn)的湯姆孫效應(yīng)(Thomson effect)共同構(gòu)成了熱電轉(zhuǎn)換物理效應(yīng)的完整體系，并對熱電材料的發(fā)展起到了極大的推動作用。

熱電材料優(yōu)勢

溫差發(fā)電是利用熱電材料的Seebeck效應(yīng), 將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能, 不需要機械運動部件, 也不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。熱電制冷是利用Peltier效應(yīng), 當(dāng)電流流過熱電材料時, 將熱能從低溫端排向高溫端, 不需要壓縮機, 也無需氟利昂等致冷劑。

依據(jù)熱電效應(yīng)設(shè)計、合成熱電材料并制備得到的熱電器件具有無振動, 無噪音, 無磨損, 無泄漏, 體積小, 重量輕, 安全可靠壽命長等優(yōu)點，不僅有望有效解決能源的浪費問題，在熱電發(fā)電機、熱電制冷器、溫度傳感等方面也具有十分重要的應(yīng)用前景。

我們生活中最常見的冰水飲水機、便攜式冷藏箱、小型冷藏酒柜等等，都是用碲化鉍（Bi2Te3）這種半導(dǎo)體熱電材料制造的。

熱電材料分類

依據(jù)不同的工作溫度，熱電材料可分為低溫體系、中溫體系和高溫體系三類。

低溫材料體系為碲化鉍（Bi2Te3）及其合金，最佳工作溫度在 300℃以下，被廣泛用于熱電制冷領(lǐng)域；中溫材料體系為碲化鉛（PbTe）、填充方鈷礦、half-Heusler等化合物，工作溫度區(qū)間為300-700℃，在汽車尾氣和工業(yè)余廢熱回收方面具有潛在應(yīng)用前景；高溫材料體系主要為硅鍺合金，最高工作溫度區(qū)間可達(dá)700℃以上，應(yīng)用于深空探測衛(wèi)星的同位素?zé)犭姲l(fā)電器等。

熱電材料研究進展

近年來隨著“電子晶體-聲子玻璃”、能帶工程、納米工程、類液態(tài)效應(yīng)等一系列新概念和新思想的提出，涌現(xiàn)出了一大批新型的高性能熱電材料，包括Zintl相材料、籠合物、氧化物、Cu 基化合物、SnSe等，極大地豐富了熱電材料的研究。 

如2023年5月26日，Science上發(fā)文報道研究人員發(fā)現(xiàn)了具有潛在發(fā)電和珀爾帖冷卻性能的硒化錫（SnSe）晶體，在300開爾文時，無量綱優(yōu)值（ZT）約為1.5，在300至773開爾文時平均ZT約為2.2。

2022年8月18日，Science報道了一系列基于AgCu(Se,S,Te)偽三元固溶體中成分-性能相圖的高性能p型延展性熱電材料，與其他柔性熱電材料相比，其優(yōu)值很高（300開爾文時為0.45，340開爾文為0.68）。

總體來看，目前已報道的新型熱電材料的性能ZT值已達(dá)到1.5以上，實驗室制備的個別材料甚至已超過2.0。這些新研制的高熱電優(yōu)值材料能夠更有效地完成熱能到電能的轉(zhuǎn)化，也展現(xiàn)出了熱電材料在節(jié)能減排領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。

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