當(dāng)今，化石能源短缺和環(huán)境污染問題凸顯，能源的多元化和高 效多利用成為解決能源與環(huán)境問題的一個(gè)重要途徑。作為一種綠色能源技術(shù)和環(huán)保型制冷技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用材料的塞貝克效應(yīng)與帕爾貼效應(yīng)將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)，包括熱電發(fā)電和熱電制冷。這種技術(shù)具有系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣等特點(diǎn)。熱電器件可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，在廢熱回收和固態(tài)制冷領(lǐng)域具有重要的研究價(jià)值，對熱電發(fā)電器件的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行測量是評價(jià)熱電材料和器件性能的重要基礎(chǔ)。
熱電材料性能指標(biāo)的關(guān)鍵在于能源轉(zhuǎn)換效率，其由材料的無量綱熱電性能優(yōu)值（ZT值）決定。由ZT值的定義式（ZT = (Sσ/κ)T）可知，在給定溫度T下，高性能熱電材料應(yīng)具有大的塞貝克系數(shù)S、高的電導(dǎo)率σ和低的熱導(dǎo)率κ。然而，這些熱電參數(shù)相互之間具有強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，使得熱電材料的性能優(yōu)化具挑戰(zhàn)性，調(diào)控這些強(qiáng)烈耦合的復(fù)雜熱電參數(shù)是提高材料ZT值和熱電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。隨著熱電材料領(lǐng)域的研究越來越受重視，不斷涌現(xiàn)出了諸多提升ZT值的有效策略：優(yōu)化載流子濃度以提高電導(dǎo)率；調(diào)整電子能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)等優(yōu)化電傳輸性能；通過引入點(diǎn)缺陷、位錯、晶界、納米沉淀物等進(jìn)行多尺度分層架構(gòu)設(shè)計(jì)以降低熱導(dǎo)率；探索和開發(fā)具有本征低熱導(dǎo)率特性的新材料體系；通過高通量及基于基因計(jì)算等預(yù)測潛在熱電材料等。
近日，北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)、清華大學(xué)及武漢理工大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)合作，通過摻雜Pb，顯著提高了p型SnSe晶體室溫附近的電傳輸性能。該工作以《Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments》為題目發(fā)表在《Science》上。
以往研究中，多選用窄帶隙或半金屬材料作為熱電制冷材料，趙立東教授課題組則主要開發(fā)寬帶隙熱電材料，利用各向異性調(diào)和電輸運(yùn)與熱輸運(yùn)的矛盾。該研究通過在動量空間和能量空間同時(shí)作用的多價(jià)帶協(xié)同傳輸策略，實(shí)現(xiàn)了p型SnSe晶體熱電性能的顯著提升；并制備了基于SnSe晶體材料的熱電器件，測試其溫差發(fā)電性能（zui大發(fā)電量及功率），還實(shí)現(xiàn)了大溫差的電子制冷。這一研究表明SnSe基晶體材料在溫差發(fā)電和電子制冷方面有巨大潛力，使用p型SnSe晶體制備的器件，其制冷性能達(dá)到了使用傳統(tǒng)BiTe基材料商用器件的70%（210K溫差下），但SnSe基熱電材料具有成本低、重量輕且儲量更加豐富等優(yōu)勢，具備十分巨大的應(yīng)用價(jià)值。
圖1. 使用PEM-2測得的溫差發(fā)電器件性能：電壓（A）和輸出功率（B）
以上工作中，材料的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM-3測得，熱電轉(zhuǎn)換器件（TEG）的發(fā)電量、輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM-2測得。
圖2. 使用PEM-2測得的溫差發(fā)電器件的轉(zhuǎn)換效率
日本Advance Riko公司已專業(yè)從事“熱”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)近60年，并一直走在相關(guān)領(lǐng)域的zui前端，為各地的科學(xué)研究及生產(chǎn)活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數(shù)測量等系統(tǒng)。2018年初，Quantum Design 中國公司將日本Advance Riko公司的zui新先進(jìn)熱電材料測試設(shè)備：小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM及大氣環(huán)境下熱電材料性能評估系統(tǒng)F-PEM引進(jìn)中國。
2018年7月，Quantum Design中國與日本Advance Riko達(dá)成協(xié)議，作為其熱電材料測試設(shè)備在中國的 家代理商繼續(xù)合作，攜手將日本Advance Riko先進(jìn)的熱電相關(guān)設(shè)備介紹到中國。
目前，所有中國用戶購買的日本Advance Riko熱電產(chǎn)品，均由Quantum Design中國公司的工程師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)安裝及售后服務(wù)。同時(shí)，Quantum Design 中國公司在日本Advance Riko公司的協(xié)助下，在北京建立部分熱電設(shè)備示范實(shí)驗(yàn)室和用戶服務(wù)中心，更好的為中國熱電技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。
參考文獻(xiàn)：
[1] Qin Bingchao et al., Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments, Science 30 Jul 2021: Vol. 373, Issue 6554, pp. 556-561
[2] 《Science》刊發(fā)北航趙立東教授課題組在電子制冷材料研究上的新進(jìn)展，北京航空航天大學(xué)新聞網(wǎng)
[3] 南科大何佳清團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表SnSe熱電材料和器件重要成果，南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)
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