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两天，了解未来五年的热电发电是一种简单而直接的发电技术不需要复杂的设备和装置，只要使用一种叫做“热电材料”的特殊材料，两端有温差——例如，一端是37℃的皮肤，另一端是北京过去两天大约0℃的冷风。这30多度的温差可以使这种材料以一定的功率发出电能。然而，这种发电技术具有许多优点和巨大的潜力，却有一个致命的缺陷——效率太低。可用的最佳热电发电材料的效率不到传统火力发电厂的一半。用它们来驱动智能手表等可穿戴设备一直是一厢情愿的想法。然而，最近发表在《自然》杂志上的一篇论文给热电发电带来了全新的应用想象。由奥地利维也纳技术大学的恩斯特·鲍尔教授领导的一个研究小组将热电性能系数(ZT值)提高了一倍，热电性能系数是热电发电材料的关键性能指标:他们开发的热电材料的热电性能系数高达5到6，而以前最好的材料一般只有2.5到2.8ZT值的跨越式提高意味着热电发电的效率有望与某些传统发电技术的效率相媲美。它在发电、制冷、供热、医疗、可穿戴设备等领域有着明显而广阔的应用前景。这是一个重要的技术突破，行业已经等待了很长时间，并最终得到了它想要的。
图|维也纳技术大学的恩斯特·鲍尔教授(资料来源:维也纳技术大学)从理论上讲，热电技术比其他利用热能发电的技术(如燃煤发电厂和燃气轮机)具有无可比拟的独特优势首先，它没有运动部件，这使得设备无噪音，易于维护。其次，配套设备的成本很低，只需要热源、冷源和电线来发电，所以重量也很轻。然而，传统火力发电所需的锅炉和涡轮机是非常大和昂贵的设备。第三，规模可以大也可以小。它不仅可以像发电厂一样产生大规模的电力，还可以安装在衣服上，贴在皮肤上，为便携式设备提供电力。第四，使用寿命长硬币大小的放射性同位素热源可以为热电发电机提供20多年的电力。这项技术已经应用于一系列航天器。阿波罗登月舱、拓荒者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯飞船都依靠这种热电发电系统来提供能量。第五，如果热电发电机反向供电，它可以直接转换成冰箱，冰箱的功能与空调相同，但比空调简单得多。许多航天器都配备了以核辐射为热源的热发生器。(来源:美国国家航空航天局)然而，由于效率低，热电技术的应用仅限于一些特殊领域，如温度测量、空间、军事、野外等。为了提高热电效率，必须提高热电材料的ZT值。一般认为，只有当ZT值达到或超过4时，该技术才具有商业价值。然而，自从热电效应被发现以来，100多年已经过去了，科学家很难达到3年。为什么提高热电材料的ZT值如此困难？这从热电发电技术所依赖的物理原理开始——热电效应本身。金属或半导体中存在一定数量的载流子(如电子或空穴)。这些载流子的密度会随着温度的变化而变化。如果物体一端的温度高而另一端的温度低，同一物体的中间会出现不同的载流子密度。例如，烹饪时，盐会从炖的酱汁中进入食物。载流子的密度差也会驱使载流子从高密度的地方扩散到低密度的地方只要物体两端的温差能保持，载流子就能不断扩散形成稳定的电压。这就是热电发电的原理
图表|热电发电(来源:麻省理工学院技术评论)由此，我们可以看到热电发电的效率取决于热电材料的三个重要性能:材料在温差情况下产生电动势的能力-用塞贝克系数表示。塞贝克系数越高，在相同温差下产生的电动势就越高，这意味着可以产生更多的电。材料导电的能力——用电导率来表示电导率越高，电子越容易在材料内部扩散。材料导热的能力——用热导率来表示导热率越高，热量从热端传递到冷端的速度就越快，从而使热电发电所依赖的温差消失，电动势也随之消失。显然，对于热电材料，前两种能力越强，后一种越好，越弱越好。热电优值系数ZT，即这三个参数的集合:塞贝克系数越高，电导率越高，热导率越低，ZT值越高，材料的热电发电效率越高因此，研究热电材料的关键是如何提高材料的ZT值，即在获得低热导率的同时获得高的塞贝克系数和电导率。然而，很难同时优化这三个参数。因为这三个属性是相互关联的，所以一个属性的提升往往伴随着另一个甚至两个属性的指标的弱化例如，一般来说，增加材料的塞贝克系数会降低其导电性。由于这三个参数的相互关联性，热电材料的发展一直很缓慢。
图|不同类型热电材料的ZT值发展，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值已经很难突破3大关。(资料来源:何& Tritt，2017)提高ZT价值的关键然而，三个参数“一损一损，一荣一荣”之间的关系并不是完全绝对的这个“利益共同体”也有一个“叛徒”——导热性更准确地说，它是热传导的一部分材料的热导率包括两部分，即电子热导率和声子热导率其中，前者与电导率密切相关，是“利益共同体”的成员然而，在决定热电材料性质的各种参数中，声子热导率是唯一对ZT值中所有其他参数没有影响的参数。因此，提高ZT值的最重要方法之一是通过降低声子热导率来降低总热导率，而不影响材料的电子热导率。具体来说，在材料的微观层次上，在不影响电子输运的前提下，通过一些特殊的结构来增强声子的散射，从而只降低材料声子的热导率，而不改变其他参数这就是维也纳科技大学团队所取得的成就。自2013年以来，经过多年的研究，他们发现了一种既能获得高电子热导率又能获得低声子热导率的材料。他们在硅晶体上覆盖了一层由铁、钒、钨和铝组成的合金材料，实现了高达5到6的ZT值，将ZT值从目前的最佳水平提高了一倍。
图|铁-钒-铝-钨合金材料在正常情况下，这种由铁、钒、铝和钨四种元素组成的合金具有非常规则的结构。例如，钒原子旁边必须只有一个铁原子，铝原子也必须如此，同一元素的两个相邻原子之间的距离总是相同的。然而，当科学家将这种材料的薄层与硅衬底结合在一起时，神奇的事情发生了。尽管这些原子仍然保持原来的立方结构，但原子的相互位置已经发生了巨大的变化。过去钒原子出现的地方现在可能变成铁原子或铝原子。但是铝原子旁边应该是铁原子，现在它可能还是铝原子，甚至是钒原子。此外，原子之间的位置变化完全是随机的，没有规则可循。
图表|结合到硅表面的合金(来源:欣特尔莱特纳等人，2019)
图表|简单测试系统(来源:欣特尔莱特纳等人，2019)这种晶体结构结合了有序和无序，使材料产生独特的性质:电子仍然可以有自己的特殊路径并在晶体中“自由”穿梭，因此电导率和电子热导率不受影响；然而，依赖于热传导的声子迁移被不规则结构阻挡，导致声子热导率显著降低。通过这种方式，热端和冷端之间的温差可以保持，并且产生的电势差不会消失。科学家们还实现了他们的梦想，保持热电材料的电子热导率不变，并降低声子热导率，从而大大提高ZT值到6。此外，理论上，如果相关概念材料的拓扑结构可以改变，ZT值高达20将不再只是一个梦。令人兴奋的潜在应用随着ZT值达到5到6，甚至在未来达到更高的水平，许多不能有效利用的废热和冷也可能成为新的清洁能源。热电技术将从太空转移到地面，许多新的应用将被解锁。在发电领域，火力发电效率与火力发电效率之间的差距将进一步缩小ZT值等于6，这意味着地热发电的效率接近燃煤机组，20将进一步达到燃煤机组的效率水平。热电发电是一种全新的大规模发电技术或者是可以预见的。在便携式电子产品领域，皮肤、衣服和外界之间的温差足以为一些专门设计的手表和其他小型设备提供动力。随着ZT值的增加，将来有可能为更强大的便携式消费电子产品甚至医疗设备提供电力。一款由皮肤和外界温差驱动的手表已经上市。今后，这类产品的性能将进一步提高。(图片来源:麻省理工学院技术评论)更高的ZT值也意味着废热利用技术的进一步发展。最典型的例子之一是利用汽车尾气和外界环境之间的温差来发电。汽车工业相关领域的研究已经开始很久了。高ZT值意味着热电发电将真正成为汽车的标准(如果汽油和柴油汽车没有被电动汽车淘汰的话)
图|利用汽车尾气余热发电的装置(来源:麻省理工技术评论)更令人兴奋，它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，一个小型、高效、免维护、长寿命的热电发电系统有望为许多传感器和通信设备提供电力，使它们摆脱电缆的束缚。5G提供信号，大数据用于整体规划和分析，热电技术提供能源。这些来自不同领域的创新技术可能会结合起来，彻底改变家庭生活和工业生产的未来。
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