起底：靠温差就可以发电的材料

经常关注一些新颖的电子产品的人，应该见过宣传自家的电子产品永远不需要充电，单靠人体就可以的广告。且不论其中的水分，单靠人体能不能发电？答案是能的，热电材料就可以。

顾名思义，热电材料是一种可以实现热能和电能直接转换的功能材料。

说起热电材料这种独特的性能发现，就不得不提三个人，以及以他们的名字命名的三个效应。

1821年，德国科学家塞贝克(Seebeck) 将两种不同的金属导线连接在一起构成一个电流回路，并在两个结点处保持不同的温度，结果发现导线周围的指南针发生了偏转。因此，这种由于温差产生电势的效应被称为塞贝克效应(Seebeck effect)。而导线两端的电压差与温度差的比值，就称为塞贝克系数。

1834年，法国科学家帕尔贴(Peltier)发现了塞贝克效应的逆效应。他将两种金属导线连接在一起并通以电流，结果发现接头处的水结成了冰，这种现象为珀尔帖效应。

1856年，英国物理学家汤姆逊发现如果在有温度梯度的均匀导体中通过电流时，导体中除了产生不可逆的焦耳热外，还要吸收或放出一定的热量， 这一现象定名为汤姆逊效应。

那么，为什么会有这种热电现象呢？上图是半导体材料的塞贝克效应（图左）和珀尔帖效应（图右）的示意图。

当对半导体两端造成温差时，热端载流子（电子或者空穴）具有比冷端附近载流子更高的动能，而且热端受激发进入导带或价带的载流子也会更多，从而造成了载流子从热端向冷端扩散。而载流子的聚集会形成电场，从而阻碍扩散。当达到一个平衡时，载流子不再扩散，半导体两端产生出一个电动势。这就是温差发电。

那么它的逆过程又是如何呢？不同的半导体中载流子的势能不同，因此在异种材料的结合处与晶格发生能量交换，在宏观上就产生界面附近的吸热或放热现象。

看到这里，相信很多人会想到热电材料可以用来发电或者制冷。

热电材料温差发电技术最早开始于20世纪40年代。相比于其他发电技术，温差发电有结构简单、坚固耐用、无运动部件、无噪声、 使用寿命长等特点，在航天、航空、军事等领域得到应有。随着技术发展，温差发电在利用太阳能、地热能、工业废热、汽车尾气废热、人体热方面也有应用。

而热电制冷主要应用有民用领域的车载冰箱、除湿器、小型饮料机、车用冷杯、冷帽、汽车座椅、化妆品存储箱等，以及电子领域的CPU测试平台、冷风装置、冷却板、大功率LED散热器、投影仪制冷等。

同样是温差发电或者电致冷，哪种材料的效果更好？德国科学家艾特克西(Altenkirch)指出，一种良好的热电材料必须具备较大的塞贝克系数、较高的电导率、较低的热导率。因此材料的热电性能就可以用一个统一的ZT值来表示。ZT值越高，材料的最大转换效率越高。一般而言，ZT值大于1，方有实用价值。

热电优值难以获得突破的关键因素在于决定ZT值的三个参数(电导率、塞贝克系数和热导 率)之间的相互关联，很难通过独立调控某个参数实现ZT值的大幅提升。增加载流子浓度会提高电导率，但同时会减小塞贝克系数并增大载流子热导率。增大载流子有效质量则提高了塞贝克系数，但理论上对迁移率有着不利影响。

目前，已发现ZT值大于2的热电材料，但仍然还需要更进一步的提高。

材料牛编辑整理。