什么是热电材料？

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热电转换材料是利用材料内部载流子与声子的输运来实现热能与电能之间直接相互转换的一类新型能源材料，在温差发电和半导体制冷两方面有着重要应用。1821 年发现的泽贝克效应（Seebeck effect）、1834 年发现的佩尔捷效应（Peltier effect）和1855 年发现的汤姆孙效应(Thomson effect)共同构成了热电转换物理效应的完整体系，并对热电材料的发展起到了极大的推动作用。

热电材料优势

温差发电是利用热电材料的Seebeck效应, 将热能直接转化为电能, 不需要机械运动部件, 也不发生化学反应。热电制冷是利用Peltier效应, 当电流流过热电材料时, 将热能从低温端排向高温端, 不需要压缩机, 也无需氟利昂等制冷剂。

依据热电效应设计、合成热电材料并制备得到的热电器件具有无振动, 无噪音, 无磨损, 无泄漏, 体积小, 重量轻, 安全可靠寿命长等优点，不仅有望有效解决能源的浪费问题，在热电发电机、热电制冷器、温度传感等方面也具有十分重要的应用前景。我们生活中最常见的冰水饮水机、便携式冷藏箱、小型冷藏酒柜等等，都是用碲化铋（Bi2Te3）这种半导体热电材料制造的。

热电材料分类

依据不同的工作温度，热电材料可分为低温体系、中温体系和高温体系三类。低温材料体系为碲化铋（Bi2Te3）及其合金，最佳工作温度在 300℃以下，被广泛用于热电制冷领域；中温材料体系为碲化铅（PbTe）、填充方钴矿、half-Heusler 等化合物，工作温度区间为 300-700℃，在汽车尾气和工业余废热回收方面具有潜在应用前景；高温材料体系主要为硅锗合金，最高工作温度区间可达700℃以上，应用于深空探测卫星的同位素热电发电器等。

热电材料研究进展

近年来随着“电子晶体-声子玻璃”、能带工程、纳米工程、类液态效应等一系列新概念和新思想的提出，涌现出了一大批新型的高性能热电材料，包括Zintl相材料、笼合物、氧化物、Cu 基化合物、SnSe等，极大地丰富了热电材料的研究。

如2023年5月26日，Science上发文报道研究人员发现了具有潜在发电和珀尔帖冷却性能的硒化锡（SnSe）晶体，在300开尔文时，无量纲优值（ZT）约为1.5，在300至773开尔文时平均ZT约为2.2。

2022年8月18日，Science报道了一系列基于AgCu(Se,S,Te)伪三元固溶体中成分-性能相图的高性能p型延展性热电材料，与其他柔性热电材料相比，其优点值很高（300开尔文时为0.45，340开尔文为0.68）。

总体来看，目前已报道的新型热电材料的性能ZT值已达到1.5以上，实验室制备的个别材料甚至已超过2.0。这些新研制的高热电优值材料能够更有效地完成热能到电能的转化，也展现出了热电材料在节能减排领域的巨大应用潜力。

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