MIT发现目前效率最高的热电材料，转换率高达18%

shuszhao · 发表于 2018-6-25 08:47:09

迄今为止，表现最佳的热电材料约可将 8% 热能转为电力，但据麻省理工学院团队找到的一种理论进行建模，发现可将称为拓扑半金属的材料效率一举提升 5 倍、并产生 2 倍以上能量……
迄今为止，表现最佳的热电材料约可将 8% 热能转为电力，但据麻省理工学院团队找到的一种理论进行建模，发现可将称为拓扑半金属的材料效率一举提升 5 倍、并产生 2 倍以上能量。
热电效应也称席贝克效应（Seebeck effect），为热电材料藉由温差来产生电压，当材料的一侧被加热时，会激发电子从较热一侧跃起并积聚在较冷一侧，电子累积以产生电压，过去 60 年来，科学家评估过无数种将热能转换成电能的热电可能性材料，但到目前为止，多数材料中电子存于特定能带，每个能带都由间隙隔开，想要让电子得到足够能量以跨越带隙甚至迁移极具挑战性，也因此多数材料的热电效率都很低，无法广泛应用。
不过现在，麻省理工学院团队找到一种可能大幅提升热电材料潜力的理论方法，透过这种方法建模的材料效率提高达 5 倍，产生能量提高 2 倍，是目前表现最佳者。
团队研究拓朴半金属（topological semimetal）材料的热电潜能，与大多数其他固体材料（如半导体或绝缘体）相比，拓扑半金属独特之处在于零带隙，使材料在被加热时电子可以轻松跳至较高能带。
在初步实验中，这类材料确实让带负电荷的电子更容易跳跃到较高能带，但遗憾的是，它们也留下了带正电的空位──电洞，最终抵消电子产生的热量。到这里，团队尚未放弃，他们注意到前几年一份研究指出，暴露于磁场中的半导体会发生奇怪效应，此时磁场影响电子运动，那如果现在他们对拓朴半金属施加磁场会发生什么事情？
实验结果发现，在强磁场下，电子与电洞分道扬镳，电子走向较冷一侧，电洞朝向较热一侧，也就是说只要增强磁场，就可以从相同材料中获得更大电压。
2013 年时，普林斯顿大学曾测量一种拓朴材料铅锡硒化物（lead tin selenide）在磁场下的热电性质，发现于 35T 极高磁场下热电效率显著增长（做为比较，核磁共振成像只约需 2～3T），麻省理工学院团队基于上述研究数值设计新模型，以了解不同材料在不同温度与磁场下的热电行为。
至今为止，已知效率最好的热电材料其热电优值（ZT）系数为 2，但研究人员随后于模型中发现，硒化物于 30T 强磁场下 ZT 值可高达 10，是目前表现最好材料的 5 倍，如果将材料在强磁场下加热到 226℃ 左右，至少能将 18% 热能转化为电力，而 ZT 值等于 2 的材料只能将 8% 热能转为电能。
不过团队也承认，世界上能创造出如此高磁场环境的设备屈指可数，想让材料实际运用于汽车发动机或发电厂上，磁场强度顶多 1～2T；另一种可能是这些材料非常干净，干净到没有杂质妨碍电子流动，那么对磁场强度的要求就能降低。
论文合著者、麻省理工学院物理学系副教授傅亮（Liang Fu）表示，铅锡硒化物确实不是科学家合成过最干净的半金属，应该还有其他更好的材料可在更小磁场下产生相同功率，比如该团队开发的一种拓扑半金属材料，虽然无法将效率提高 2 倍那么多，但在 3T 磁场下可以提高 20～50%，已算不错。他们的研究发表在《Science Advances》期刊。