热电材料

随着全球工业化进程的加快, 世界能源短缺和枯竭已经成为每个国家不容忽视的问题, 严重制约着社会长期稳定发展。研究和开发新能源已经成为全球能源发展的趋势。

生活中有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如：汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等等。如果能将这些热能善加利用，即可成为再次使用的能源；电能是最广泛使用的能源形式,但是目前发电的主要形式还是化石能源，这些能源的使用在给我们带来便利的同时，也带来了全球关注的环境问题；现代制冷技术给人们生活带来了很多便利，但是氟里昂制冷剂所带来的环境问题却不容忽视。热电材料以其独特的性能成为一种很有发展前途的功能材料, 它的应用包括温差发电和温差制冷。

什么是热电材料呢？热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。人们对热电材料的认识具有悠久的历史。1823年，德国人塞贝克（Seebeck）发现了材料两端的温差可以产生电压，也就是通常所说的温差电现象。1834年，法国钟表匠珀耳帖（Peltier）在法国《物理学和化学年鉴》上发表了他在两种不同导体的边界附近（当有电流流过时）所观察到的温差反常的论文。这两个现象表明了热可以致电，而同时电反过来也能转变成热或者用来制冷，这两个现象分别被命名为塞贝克效应和珀耳帖效应。它们为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。

图1 热电器件Bi2Te3模块

图2 环保型冰箱

热电材料的应用不需要使用传动部件，工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保材料。现在市面上有一种移动型冰箱，适用于旅行郊游时冰冻饮料及食品保存等。这种冰箱的特色除了方便携带外，它并不使用压缩机，没有噪音，天气冷时还可摇身一变成为保温器。隐身在这种冰箱后的核心技术，就是里面的热电材料。

热电材料的应用很神奇，它通入电流之后会产生冷热两端，故可以用来冷却也可以用来保温。而如果同时在两端接触不同温度时，则会在内部回路形成电流，温差越大产生的电流越强，这就启发了一种新思维：用热电材料接收外界热源来产生电力。这种概念并不是空中楼阁，目前日本和德国都已开发出利用人体体温与外界环境温度差异，进而产生电力来驱动手表。

图3 环保手表

近年来由于在技术上热电材料性能的不断提升，及环保等因素，利用热电转换技术，进一步将大量废热回收转为电能的方式，普遍得到日、美、欧等先进国家的重视。低温余热、特别是140℃以下的废热再利用，增加了热电发电的竞争力，一些新兴应用研究诸如垃圾焚烧余热、炼钢广的余热、利用汽车以及发动机尾气的余热进行热电发电，为汽车提供辅助电源的研究也正在进行，并且有部分成果已实际应用，相信在不久的将来会广泛使用。

图4废热回收发电器

图5发动机余热发电

世界各国在推进热电转换技术应用的同时，也在不断地进行着新型高性能热电材料的研究和探索。如果将热电材料技术应用于上述的大规模电厂发电或普通的制冷器，那么我们的生活环境将大为改观。随着科学技术的进步，热电材料的性能会不断得到提高，制约热电器件应用的一些难题也会得到逐步解决，其应用会越来越广泛，必将成为社会发展的新动力。