新型半导体热电技术——提供绿色可持续发电

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随着煤炭资源的持续开采，导致煤资源紧缺，而且其作为大宗能源材料，燃烧煤发电会产生较高的碳排放，致使煤电产业已难以支撑高速发展的工业化生产。不断探索新的可持续、绿色、洁净的电能供应显得尤为重要。

传统的热电技术是利用煤、气、油等燃烧的热能产生蒸汽，从而驱动蒸汽机、发电机发电，此举会消耗大量能源。

近些年，新型半导体热电新技术得到突破，为更广泛地开发绿色发电技术提供了可靠依据。

新型半导体热电技术的原理是利用半导体材料的泽贝克效应——存在温差时会直接将热能转化为电能。

新型半导体热电技术对各种热能具有良好的响应。即使在汽车尾气排放处安装一个半导体热电器件，也可以将汽车尾气热能转化为电能。

热电半导体的适应范围很宽。在节能领域：飞机、汽车、轮船在运行时产生的废热；玻璃、水泥、电解铝、钢铁等行业产生大量的废热气，而这些热能不稳定，很难通过蒸汽机发电机发电。新型半导体热电材料能够及时高效地将不稳定的废热转化为电能，节能效果明显。

在移动供电领域：太阳热能是取之不尽的能源，利用太阳热能进行热电发电，可以满足各种移动通信终端、电子产品、野外基站供电、汽车的应用等。

小型热电整机：通过小型热电整机，可以很方便地利用太阳热能、小企业的热排放将热能转化为电，实现单机供电，可以很好的满足人们清洁用电的需要。

新型半导体热电技术的核心是半导体温差发电器。半导体热电产业是战略新兴产业，发展潜力巨大。但国内在热电半导体的研究技术力量较薄，相关的研究机构有中科院上海硅酸盐所、富信科技、天津能源所等。在国外，已开始形成热电半导体的系统应用，核心的技术主要在美国Phononic、Gentherm、日本 Ferrotec、KELK Ltd.等机构。

太阳能是取之不尽、用之不竭的能源。随着热电半导体技术的逐步提升和成熟，利用太阳热能进行清洁、绿色可持续发电将会成为常态。未来在家中、办公室使用热电发电的单机将会成为必备。这不但利于解决能源危机和环保问题，也是人类合理利用清洁能源的标志。

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效率纪录神奇突破！温差发电关键指标翻倍，有望解锁广阔应用

温差发电是一种简单直接的发电技术。

无需复杂的设备装置，只要一种叫做“热电材料”的特殊材料，在其两端施加以温度差——比如，一端是你 37℃的皮肤，另一端是这两天北京 0℃左右的寒风，这三十几度的温度差就可以让这种材料发出一定功率的电能。

然而，这种优点多多、潜力巨大的发电技术，却有一个致命的缺陷——效率太低。现有最好的温差发电材料，其效率只有常规火力发电厂的一半不到，用它给智能手表这样的可穿戴设备供电也一直是痴心妄想。

不过，近日，一篇发表在 Nature 上的论文，给温差发电带来全新的应用遐想。一支由奥地利维也纳工业大学 Ernst Bauer 教授领衔的研究团队，实现了温差发电材料的关键性能指标——热电优值系数（ZT 值）的翻倍：他们开发的热电材料具有高达 5 到 6 的热电优值系数，而之前最好的材料一般也只有大约 2.5 到 2.8。

ZT 值的跨越式提升，意味着温差发电的效率将有望和一些传统发电技术的效率一较高下，在发电、制冷、供暖、医疗、可穿戴设备等许多领域，都有着显而易见的广阔的应用前景，是业界期待已久、如今终于得偿所愿的重要技术突破。

图 | 维也纳工业大学 Ernst Bauer 教授（来源：维也纳工业大学）

未能解锁的广阔应用

与其它利用热量进行发电的技术（比如燃煤电厂，燃气轮机）相比，理论上，热电技术有着无可比拟的独特优势。

首先，它没有运动部件，这使得这种设备没有噪音，也易于维护。

其次，配套设备的成本很低，只需要热源、冷源、导线就可以发电，因此重量也很轻。而传统火力发电所需要的锅炉、轮机都是非常庞大且金贵的设备。

第三，规模可大可小，既可以像发电厂一样进行大规模发电，也可以装在衣服里、贴在皮肤上为便携式设备提供电力。

第四，寿命长。一枚硬币大小的放射性同位素热源，就可以为温差发电机提供长达 20 年以上电力供应。这种技术已经应用到了一系列航天器上，阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船都依赖这种温差发电系统提供能源。

第五，如果反过来给温差发电设备通电，就可以直接把它转化为一台制冷机，有着像空调一样的功能，却比空调简单得多。

图 | 不少航天器上已经装备了核辐射为热源的温差发电机。（来源：NASA）

然而，受限于过低的效率，一直以来，热电技术的应用只局限于温度测量、太空、军事、野外等少数特殊的领域。

要想提高热电效率，就必须要提高热电材料的 ZT 值。一般认为，ZT 值达到或者超过 4，这种技术才具有商用价值。然而，热电效应发现 100 多年过去了，科学家们连 3 都很难达到。

难以提高的指标

为什么热电材料的 ZT 值这么难提高？这要从温差发电技术所依赖的物理原理——热电效应本身说起。

金属或者半导体的内部存在有一定数量的载流子（比如电子或者空穴）。而这些载流子的密度会随着温度的变化而出现变化。如果物体的一端温度高，另一端温度低，就会在同一个物体中间出现不同的载流子密度。

好比做饭的时候，炖着炖着，盐分就会从酱汁中进入到食物里一样，载流子的密度差异，也会驱使载流子从密度高的地方向密度低的地方扩散。只要可以维持物体两端的温差，就能使载流子持续扩散，从而形成稳定的电压。这便是温差发电的原理。

图 | 温差发电（来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）

从中我们可以看出，温差发电的效率，取决于热电材料的三个重要的能力：

材料在有温度差的情况下产生电动势的能力——由塞贝克系数表示。塞贝克系数越高，相同的温差下产生的电动势就越高，意味着能够发出来的电就越多。

材料导电的能力——由电导率表示。电导率越高，电子在材料内部就可以越容易地扩散。

材料导热的能力——由热导率表示。热导率越高，热量就可以更快速地从热端传递到冷端，从而让温差发电所依赖的温度差消失，电动势也就随之消失。

显而易见，对于热电材料来说，前两种能力是越强越好，而后一种能力则是越弱越好。热电优值系数 ZT，也就是这三个参数的集合：塞贝克系数越高、电导率越高、热导率越低，ZT 值就越高，材料进行温差发电的效率也就越高。

因此，热电材料的研究，其关键就是如何提高材料的 ZT 值，也就是在实现高的塞贝克系数和电导率的同时，获得低的热导率。

然而，要想同时优化这三个参数，是一件十分困难的事情。因为这三种性质是相互关联的，提升一种性质，往往伴随着另一种、甚至两种性质的指标出现削弱。例如，一般情况下，提升材料的塞贝克系数，就会降低其电导率。这种三个参数之间相互关联的性质，这使得热电材料的研发一直进展缓慢。

图 | 不同种类热电材料 ZT 值的发展历程，横坐标为年份，纵坐标为 ZT 值。可以看出，经过多年的发展，热电材料的 ZT 值一直难以突破 3 的大关。（来源：He & Tritt, 2017）

提升 ZT 值的关键

然而，三种参数“一损俱损、一荣俱荣”的这种关系，也不是完全绝对的。这个“利益共同体”也有一个“叛徒”——热导率。更准确地说，是热导率的一部分。

材料的热导率包括两个部分，分别是电子热导率和声子热导率。其中，前者与电导率息息相关，是“利益共同体”的一分子。但声子热导率，却是决定热电材料性质的各种参数中，唯一一个对 ZT 值里其它所有的参数都没有影响的参数。

因此，提高 ZT 值的最重要的思路之一，便是在不影响材料电子热导率的情况下，通过降低声子热导率的方式来降低整体热导率。具体到材料的微观层面，就是在不影响电子输运的前提下，通过一些特殊的构造，来增强声子的散射，从而只降低材料的声子热导率，却不改变其它参数。

这便是维也纳工业大学团队完成了的事情。从 2013 年开始，经过多年的研究，他们发现了一种可以同时实现高电子热导率和低声子热导率的材料。他们用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料，实现了高达 5 到 6 的 ZT 值，让 ZT 值比现有最好水平翻了倍。

图 | 铁-钒-铝-钨合金材料

在通常情况下，这种由铁、钒、铝、钨四种元素组成的合金，其结构非常规则，例如，钒原子旁边一定只有铁原子，铝原子也一样，而两个相邻的同元素原子之间的距离也总是一样。

然而，当科学家们把薄薄的一层这种材料，与硅材料基底相结合的时候，神奇的事情就出现了。

尽管这些原子仍然维持着原有的立方体的结构，但原子之间的相互位置却发生了剧烈的改变。以前该是一个钒原子出现的位置，现在可能变成了一个铁原子或者铝原子；而一个铝原子旁边本来该是一个铁原子，现在可能还是一个铝原子，甚至是一个钒原子。而且，这种各个原子之间位置的改变，完全随机，毫无规律可循。

图 | 结合在硅表面的合金（来源：Hinterleitner et al., 2019）

图 | 简单的测试系统（来源：Hinterleitner et al., 2019）

这种有序和无序相结合的晶体结构，就让材料产生了独特的性质：

电子依然可以有自己的特殊路径，在晶体里“自由”穿梭，使得电导率和电子热导率不受影响；但热量传导依赖的声子迁移却被不规则的结构阻隔，导致声子热导率大幅下降。这样一来，热端和冷端的温度差得以维持，由此产生的电势差也就不会消失。

科学家们也就实现了梦寐以求的热电材料电子热导率不变、声子热导率下降，从而大幅提升 ZT 值到 6 的目标。

更进一步，理论上，如果可以改变相关概念材料的拓扑结构，ZT 值达到 20 也将不再只是梦想。

令人兴奋的潜在应用

随着 ZT 值达到 5 到 6，甚至在将来达到更高的水平，许多曾经无法有效利用的废热、废冷也可能变成新的、清洁的能量来源。热电技术将从太空走向地面，很多全新的应用将得以解锁。

在发电领域，温差发电的效率和火力发电效率之间的差距将进一步缩小。ZT 值等于 6，就意味着已经接近了地热发电的效率，而 20 将进一步达到燃煤机组的效率水平，温差发电成为一种全新的大规模发电技术或可期待。

在便携式电子产品领域，皮肤和衣服、外界之间的温差，已经足以为一些特殊设计的手表等小型设备供电了。随着 ZT 值的提升，未来将可以为更大功率的便携式消费电子产品、甚至是医疗设备提供电量。

图 | 一款用皮肤和外界的温差驱动的手表已经上市。未来，这类产品的性能将进一步提高。（图片来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）

更高的 ZT 值，也意味着废热利用技术将得到进一步发展。其中最典型的例子，便是利用汽车尾气与外界环境之间的温差进行发电。汽车行业对相关领域的研究早就开始了，高 ZT 值便意味着温差发电将真的有可能成为汽车的标配（如果汽柴油车还没有被电动汽车淘汰的话）。

图 | 利用汽车尾气废热进行发电的装置（来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）

而更加令人兴奋的，是热电技术在物联网领域的应用。在即将到来的物联网时代，小巧、高效、免维护、长寿命的温差发电系统，将有望为许多传感器、通讯设备提供电源，让他们摆脱电缆的束缚。5G 提供信号，大数据进行统筹与分析，热电技术提供能源，这些来自不同领域的创新技术将有可能结合在一起，彻底改变未来家庭生活和工业生产的面貌。

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