创新型热电材料转换效率创世界纪录
创新型热电材料转换效率创世界纪录据物理学家组织网9月19日报道，美国西北大学和密歇根州立大学的机械工程师合作开发出一种稳定的环保型热电材料，热电品质因数（ZT）创下世界纪录，达到2.2，可将15%至20%的废（余）热转换成电力，成为目前最有效的热电材料。这项研究结果发表在9月20日的《自然》杂志上。
热电材料有着广泛的工业应用，包括汽车产业，可发挥从车辆排气管排出汽油的更多潜在能量（宝马正在通过从汽车排气系统捕获热量测试热电材料）；玻璃、制砖、炼油厂、煤炭和燃气电厂等重工业领域，以及大型船舶和油轮里持续运转的大内燃机等。这些领域的废热温度高达400摄氏度到600摄氏度，这个温度范围对于使用热电材料正是最有效点。过去的热电材料把热能转换为电能的效率都不高，大多只有5%到7%左右，这限制了热电材料的应用。
新材料基于常用的半导体碲化铅，表现出的热电品质因数为2.2，热电转换效率达到15%至20%，这是迄今报告的最高效率。“好奇”号火星探测器采用的碲化铅热电材料的热电品质因数为1，效率只有这种新材料的一半。
研究人员对碲化铅进行了一系列改造，先在其中加入钠原子，提高其导电性；然后在材料中引入纳米结构，即碲化锶纳米晶体，以减少电子散射，增加材料的能量转换效率。他们还通过更广泛的声子频谱散射穿过所有的波长，减少了散热，使热电转换效率提高了近30%。声子是一种振动能量的量子，每一个具有不同的波长。当热流经材料时，声子的频谱会被分散在不同的波长（短期、中期和长期）。
研究人员说：“每次声子散射的热导率降低，就意味着转换效率的提高。”他们将分散短期、中期和长期波长的三种技术结合于一种材料里同时工作，这是第一次同时在频谱范围内分散所有的三种光。这种成功地集成全尺度的声子散射方法超越了纳米结构，是一种非常创新的设计，适用于所有的热电材料
新材料令温差发电变得实用
如果有种实用且廉价的设备可以直接把热量转化为电能，那么它必然可以改变从汽车到发电厂等各个领域的能量利用方式。研究者制造出的新型材料的热电转化效率比之前的温差电材料提高了20%，从而使这样的设备朝着实用化更进一步。更重要的是，这种材料不需要任何困难或昂贵的制造技术，而且它是碲化铅制成的，原料的价格并不高得离谱。
我们现在浪费了大量的热，这些热通过汽车的排气口和发电厂的烟囱排入了大气。温差电材料可以利用这些热发电，但到目前为止，这类材料过于昂贵且低效，因此无法得到广泛应用。温差电技术目前只获得了一些利基的商业应用。除了产生电能之外，温差电材料也可以起到相反的作用，即利用电流转移热量从而冷却便携设备，或是在汽车中为座椅加热。它们也被用在航天任务中充当电源。
不同于之前的温差电材料，这种《自然》期刊上发表的论文中所描述的新材料，其转换效率足可以令温差电源具有实用价值。这种材料的最佳工作温度约为650°C，与在高速公路上以65英里时速行驶的汽车所排出废气的温度接近。在这个温度下，它可以把废气中约20%的的能量转化为电能。这样得到的电能可以用来给混合动力汽车的电池充电，或者减轻汽车上交流发电机的负担并节约燃料。
温差电材料会阻拦从其中通过的热量，但允许电子流动，从而产生电流。新材料隔热能力尤其突出，因为它利用了材料内部的微观隔断，或者说晶界。在最小的尺度上，研究者在材料中加入掺杂物，在单个原子的尺度上打乱材料的规则晶体结构。而为了在较大尺度上破坏结构，他们把纳米尺寸的相同材料片段混合进来，这些片段的宽度为2到10纳米。最后，通过在冷却过程中控制材料的结晶方式，他们制造出了直径几百纳米的微小晶粒。研究者们之前已经自己完成了这些工作的每一个步骤。“我们是首先把这些全部结合在一起的，” 领导这项研究的西北大学化学教授莫科瑞·卡纳茨迪斯（Mercouri Kanatzidis）说。
这项研究成功的关键在于确保材料中的隔断不会阻挡电子的流动。研究者采用了两种手段来实现这个要求，一个是在材料掺入会增加材料中的电子数的杂质，另外则是选择可以在大块材料中自动按照某种方式调整朝向的纳米结构片段，产生可以让电子无阻碍运动的通路。
美国能源部的技术开发主管约翰·费尔班克斯（John Fairbanks）称这种新材料是“一个伟大的进步，”但是他也提醒想让这种材料成功商业化可能面临着挑战。他说一个热电设备同时需要P型和N型两个版本的材料，而这种新材料自身只是P型，因此它还需要一个搭档。他还提出，美国和欧盟的监管者对于在汽车上使用含铅材料会感到迟疑，即使其中含的铅远比一般的机动车电池要少。这种材料也可能用在工业环境或是发电厂中，来帮助捕集废热。
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