前方高能注意！你知道热能用来发电吗？将余热转化为能量的黑色技术热电材料

本文转载自中研院研究，泛科学为宣传推广实施单位。

采访|郭雅馨艺术设计|林育南

回收废热的热电材料

当世界面临能源转型时，可再生能源的发展大多集中在太阳能、风力、水力、生物质燃料等方面。然而，近年来，随着纳米技术的发展，能够将余热转化为电能的热电材料逐渐出现。中科院物理所陈阳元研究员研究热电材料已有十余年。在他眼里，热电材料具有巨大的能源发展潜力。

热电转换再兴起

年正处于能源转型的关键时刻，我们不禁担忧，可再生能源真的足以弥补电力缺口吗？还有其他新兴的发电方式吗？是啊！利用余热发电听起来不错吧？毕竟我们在日常生活中受够了余热。汽车、空调等机械废热，加上太阳辐射热等。如果这些烦人的废热可以用来发电，那真是个好主意。

热电材料是通过热量发电的关键。他们能把(无用的)热能转换成(有用的)电能。近年来，热电材料逐渐发展起来。中科院物理所研究员陈阳元从2006年开始研究热电材料。他说，“热电材料的发电效率有了很大的进步！在不久的将来，热电材料的应用将会越来越广泛，成为能源转型时代的一个重要角落。

热电材料的历史可以追溯到200年前。1821年，德国科学家托马斯塞贝克(Thomas Seebeck)发现，物质两端的温差会形成电势差，这种现象被称为“西贝克效应”。也就是说，只要同一种材料两端的温度不同，两端之间就会产生电压；相反，当在材料两端施加电压时，两端会产生温差。所以科学家定义了西贝克系数s=vt，意思是同一种材料温差越大，输出电压越大。“换句话说，有温差的物质可以看作是干电池。陈阳元解释道。这是热电材料的基本物理机制。

图为热电材料的基本特性。同样的热电材料，如果给定两端的温差，可以产生电压(西贝克效应)；如果两端都加电压，就会造成温差(皮埃尔效应)。图有东西在研究(来源陈阳源)

找出最优质的热电材料

每一度温差产生的电压就是“西贝克系数”。直观的说，Sibeck系数越大，相同温差下输出电压越大，热电材料越好。不过，陈阳元补充道，热电材料不仅具有更高的Sibeck系数，还具有更好的导电性。而且导热系数不能太好，否则温差一下子就失去热平衡了。科学家在考虑了各种条件后，确定了热电材料的品质系数ZT值=( S2 ) t，其中为电导率，S为西贝克系数，为热导率，t为绝对温度。

良好的导电性、高Sibeck系数和低热导率。这是高质量热电材料的三个条件。

因此，研究热电材料的科学家从几十年前就开始努力满足这些条件。陈阳元说，“金属的导热性太好了，不能用作热电材料。目前主要的方法是使用不同掺杂元素和比例的各种半导体材料，找出最佳的ZT值。」

半导体材料是很好的热电材料，根据掺杂元素的种类分为N型(载流子是带负电荷的电子)和P型(载流子是带正电荷的空穴)。在制作热电材料时，N型和P型材料会组合成上图所示的“热电偶”形式。图有东西在研究(来源陈阳源)多年来，世界各地的研究团队都发现了许多值得at的热电材料候选材料

各种P型(左)和N型(右)材料的ZT值与温度的关系图。可以看出，在室温附近(27C，约300K)性能最好的材料是p型BiSbTe(蓝色虚线)。图陈阳元

控制晶格和缺陷，不让热传过去！

光找到优秀的材质和比例是不够的！要提高热电效应，还有一个重要因素：降低热电材料的热导率。微观上是精细控制材料晶格或内部缺陷。

晶格是材料的骨架，热的本质是晶格振动，而热传导的本质便是晶格里的原子以振动方式将能量传递给邻近原子。因此，阻碍能量传递的方式，就是调控材料内原子的排列，以期达到导热差、导电好的最终目的。

理想上可以利用「超晶格」，当不同种类的原子像三明治一般层层交替堆叠时，界面的原子与邻近原子尺寸、重量都不同，这会造成晶格排列不顺畅（晶格不匹配），彼此的振动能量也不易传递，大部分都会反弹回来，也就达到「导热不佳」的效果了。

种类不同、尺寸与重量皆不同的原子间，由于晶格不匹配，振动比较不易传递，导热率因此降低。

陈洋元进一步解释，超晶格的每一层材料厚度、比例都必须严格控制，「因为我们只希望导热率降低，但不希望影响到电子的移动。」也因此，这项製程「非常困难，需要的设备也很昂贵。超晶格结构如果要做到一张纸那么厚，可能必须镀膜上万次，成本很高，东西也做不大。换言之，超晶格在学理上可行，但实际应用上有困难。」

「我们可以选择退而求其次的做法。」陈洋元说。例如在材料里刻意掺杂一些杂质，或製造晶格的空缺，包括：点缺陷、空位、差排、叠差等。以这些缺陷的数量来控制材料特性，在尽量不影响导电的状况下降低热传导率。「这是比较简单可行的做法。」

热电材料自有用武之地

热电材料在实际应用上，发展得比其他再生能源慢，主要原因还是在发电效率不够好。目前在室温下最好的热电材料，转换效率约 3~4%，相较之下，太阳能发电目前的转换效率约在 15~20%。这也是热电材料在能源发展上较少被提及的主因。

「不过其实热电材料在 600°C~700°C 的高温下，转换效率可以超过 10%。」陈洋元说。因此，几年前美国一度打算将热电材料用在汽车的废热回收，毕竟燃油引擎的油电转换效率大约在 30% 左右。「剩下的 70% 都变成废热排出去了。如果能把其中 10% 的废热转换成电能，等于是引擎效率的一大跃进。」不过后来，随着电动车逐渐成为主流发展方向，这项应用也就失去关注了。

热电材料就这样无英雄用武之地了吗？并不是。其实早在 30~40 年前，它就已经应用在太空科技上了。太空船或卫星发射到太空中之后，需要电能维持运作，除了太阳能以外，热电也是重要的电力来源。陈洋元以航海家一号举例，「它朝着太阳系外离去，过程中太阳光会愈来愈微弱，因此不能完全仰赖太阳能做为电力来源。」因此，航海家一号就有使用热电技术，其中热的来源是铀、钸等放射性材料，它们在衰变过程会放热，与外太空趋近绝对零度的环境产生温差，藉此发电。「这些放射性材料的半衰期是几十亿年，对我们来说像是万年之毒，但对太空船来说，却像是永恆的电力来源。」陈洋元说。

热电转换效率不佳，但对于缺乏电力来源、外界环境温度极低，又不怕放射性汙染的太空科技来说，是很好的发电选择。

此外，热电材料不只能把热转换成电，也能反过来，利用材料两端的电压差回推来产生温度差。也就是说热电材料的应用不限于发电，它也能做为冷气、冰箱等使用的温度计；或是在热电材料上外加电压，产生电流，造成材料两端的温度差，做为冰箱、电脑 CPU 的致冷元件。

陈洋元也在近两年，研究开发出薄型热电晶片，里面的结构是 128 对微小的 p 型、n 型半导体柱，就像 128 个小小的乾电池串联一样，能把热电效应放大百倍。陈洋元解释，虽然热电效率不高，无法用在大型工厂等需要巨大电量的状况，但这样的晶片可以用来製作「热电自充随身电源」，应用在手机或电子手錶等随身穿戴式电子装置上，这类装置需要的电量不高，但可能随时有充电需求。「想像一下这样的场景，你走在路上发现手机没电了，于是拿出热电自充随身电源，利用自身体温与室温的温差，帮手机紧急充电。」

随着网际网路的发展，基地台热点愈来愈多，这也让陈洋元对于热电材料的应用潜力更加乐观。「在某些偏远地带，例如玉山的基地台，电力供给或许就不需要建置发电站，利用热电材料（透过温差发电的特性），只要送一桶瓦斯去就好，方便多了！」或者，热电材料也能与太阳能互补，「因为太阳能发电使用的是太阳光，它的辐射热并没有被利用到，这一点可以用热电材料来加强补足。」陈洋元说。

另外，陈洋元也正在与厂商合作，希望能製作中型、大型的发电机。陈洋元说：「一个热电晶片大约能发 20 瓦的电，把 25 个晶片合起来，就能有 500 瓦。」儘管成本比一般发电机高，但热电发电机具有轻巧、无噪音等优点，「我相信它在未来是一个机会。」

热电材料的研究还在如火如荼的进展着，而陈洋元对它的未来也抱持着乐观的态度。回头看看热电材料的优质係数 ZT 值，「只要我们想办法降低导热率，它理论上还能再拉高。」陈洋元说：「现在室温下的 ZT 值最高是 1 点多，在不久的未来，我们很有可能就突破它了」

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