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MIT发现目前效率最高的热电材料,转换率高达18%

时间:2018-06-24 作者:Technews 阅读:
迄今为止,表现最佳的热电材料约可将 8% 热能转为电力,但据麻省理工学院团队找到的一种理论进行建模,发现可将称为拓扑半金属的材料效率一举提升 5 倍、并产生 2 倍以上能量……

迄今为止,表现最佳的热电材料约可将 8% 热能转为电力,但据麻省理工学院团队找到的一种理论进行建模,发现可将称为拓扑半金属的材料效率一举提升 5 倍、并产生 2 倍以上能量。

热电效应也称席贝克效应(Seebeck effect),为热电材料藉由温差来产生电压,当材料的一侧被加热时,会激发电子从较热一侧跃起并积聚在较冷一侧,电子累积以产生电压,过去 60 年来,科学家评估过无数种将热能转换成电能的热电可能性材料,但到目前为止,多数材料中电子存于特定能带,每个能带都由间隙隔开,想要让电子得到足够能量以跨越带隙甚至迁移极具挑战性,也因此多数材料的热电效率都很低,无法广泛应用。

不过现在,麻省理工学院团队找到一种可能大幅提升热电材料潜力的理论方法,透过这种方法建模的材料效率提高达 5 倍,产生能量提高 2 倍,是目前表现最佳者。

团队研究拓朴半金属(topological semimetal)材料的热电潜能,与大多数其他固体材料(如半导体或绝缘体)相比,拓扑半金属独特之处在于零带隙,使材料在被加热时电子可以轻松跳至较高能带。

在初步实验中,这类材料确实让带负电荷的电子更容易跳跃到较高能带,但遗憾的是,它们也留下了带正电的空位──电洞,最终抵消电子产生的热量。到这里,团队尚未放弃,他们注意到前几年一份研究指出,暴露于磁场中的半导体会发生奇怪效应,此时磁场影响电子运动,那如果现在他们对拓朴半金属施加磁场会发生什么事情?

实验结果发现,在强磁场下,电子与电洞分道扬镳,电子走向较冷一侧,电洞朝向较热一侧,也就是说只要增强磁场,就可以从相同材料中获得更大电压。

2013 年时,普林斯顿大学曾测量一种拓朴材料铅锡硒化物(lead tin selenide)在磁场下的热电性质,发现于 35T 极高磁场下热电效率显著增长(做为比较,核磁共振成像只约需 2~3T),麻省理工学院团队基于上述研究数值设计新模型,以了解不同材料在不同温度与磁场下的热电行为。

至今为止,已知效率最好的热电材料其热电优值(ZT)系数为 2,但研究人员随后于模型中发现,硒化物于 30T 强磁场下 ZT 值可高达 10,是目前表现最好材料的 5 倍,如果将材料在强磁场下加热到 226℃ 左右,至少能将 18% 热能转化为电力,而 ZT 值等于 2 的材料只能将 8% 热能转为电能。

不过团队也承认,世界上能创造出如此高磁场环境的设备屈指可数,想让材料实际运用于汽车发动机或发电厂上,磁场强度顶多 1~2T;另一种可能是这些材料非常干净,干净到没有杂质妨碍电子流动,那么对磁场强度的要求就能降低。

论文合著者、麻省理工学院物理学系副教授傅亮(Liang Fu)表示,铅锡硒化物确实不是科学家合成过最干净的半金属,应该还有其他更好的材料可在更小磁场下产生相同功率,比如该团队开发的一种拓扑半金属材料,虽然无法将效率提高 2 倍那么多,但在 3T 磁场下可以提高 20~50%,已算不错。他们的研究发表在《Science Advances》期刊。

原文微信公众号:technews2013,已获授权转载, 链接:http://technews.tw/2018/05/29/thermoelectric-material-lead-tin-selenide-topological-semimetal/

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