導(dǎo)讀：當(dāng)今，化石能源短缺和環(huán)境污染問題凸顯，能源的多元化和高效多級利用成為解決能源與環(huán)境問題的一個重要途徑。作為一種綠色能源技術(shù)和環(huán)保型制冷技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。熱電器件可以實現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，在航空航天、低品位熱回收和固態(tài)制冷領(lǐng)域具有重要的研究價值。

       近年來，隨著熱電技術(shù)的深入研究，特別是對熱電半導(dǎo)體輸運機制的深入理解及新的調(diào)控機理及制備手段的應(yīng)用，熱電材料的性能得到了長足的進步，研究重點也逐漸從側(cè)重基礎(chǔ)的材料研究向側(cè)重應(yīng)用的器件研究轉(zhuǎn)移。

       熱電器件可按用途簡單分為熱電發(fā)電器件（TEG）及熱電制冷器件（TEC），一般由n型和p型的熱電材料通過熱并聯(lián)和電串聯(lián)的形式構(gòu)成，其工作原理見圖1。隨著航空航天、物聯(lián)網(wǎng)及低品位熱回收等領(lǐng)域的進展，熱電發(fā)電器件的性能越來越受到人們關(guān)注，除了用于制備器件的熱電材料本身的zT值這一重要因素外，器件的結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸、連接方式）以及界面材料等都對器件性能有重要影響，因此，對于發(fā)電器件性能的準(zhǔn)確測量從而改善器件的設(shè)計及制造工藝成為科研工作者的迫切需求。

圖1、熱電發(fā)電器件與制冷器件的工作原理

       日本ADVANCE RIKO公司新推出的小型熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)Mini-PEM（圖2）可以測量單腿器件的熱電轉(zhuǎn)換效率，該設(shè)備為目前少數(shù)商用的既可以測量單腿器件，也可以測量多對器件的熱電轉(zhuǎn)換效率的測量系統(tǒng)，熱端溫度可達500℃，可以測量器件在不同溫差條件下的發(fā)電量、熱流量及最大轉(zhuǎn)換效率。

圖2、小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM

       碲化鉍基熱電材料（BiTe）在室溫附近具有優(yōu)異的熱電性能，被廣泛應(yīng)用于低溫區(qū)的制冷及發(fā)電，是目前商業(yè)化應(yīng)用的熱電材料體系，但Te元素的稀缺性（地殼內(nèi)含量：0.005 ppm）使其廣泛應(yīng)用受到限制，因此尋找新的材料體系對于熱電材料的廣泛應(yīng)用非常重要。來自北京航空航天大學(xué)的趙立東教授課題組對于SnSe體系進行了深入的研究，在2021年的工作中(Science 373 (2021) 556-561)通過摻雜Pb，顯著提高了p型SnSe晶體室溫附近的電傳輸性能，并制備了基于SnSe晶體材料的熱電器件，測試其溫差發(fā)電性能（最大發(fā)電量及功率），還實現(xiàn)了大溫差的電子制冷。這一研究表明了SnSe基晶體材料作為溫差發(fā)電和電子制冷材料的巨大潛力，使用p型SnSe晶體制備的器件，其制冷性能達到了使用傳統(tǒng)BiTe基材料的商用器件的70%（210K溫差下），但SnSe基熱電材料具有成本低、重量輕且儲量更加豐富的優(yōu)勢，具備十分巨大的應(yīng)用潛力^[1]。近期，該課題組通過在SnSe中引入Cu填充Sn空位，從而有效提高載流子遷移率，基于獲得的高性能SnSe晶體搭建的熱電器件在發(fā)電和制冷都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。發(fā)電器件（TEG）在300K溫差下能夠?qū)崿F(xiàn)高達12.2%的發(fā)電效率，制冷器件（TEC）在室溫及高溫下也均實現(xiàn)了優(yōu)異的制冷性能^[2]。

圖3、使用SnCu_0.001Se制備的單腿熱電發(fā)電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率（A）及熱電制冷器件（7對）的最大制冷溫差（B）與理論計算值的比較

       該工作以《Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics》為題，發(fā)表在《Science》上，其中單腿發(fā)電器件的發(fā)電量及轉(zhuǎn)換效率均使用Mini-PEM測得。與上述工作不同，如果樣品為多對p-n結(jié)構(gòu)，ADVANCE RIKO公司則提供熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)PEM-2用于發(fā)電量及轉(zhuǎn)換效率的測量。熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)PEM-2支持多種器件尺寸，熱端溫度可達800℃，測量在惰性氣體（Ar₂）中進行。

圖4、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM-2

       近期，來自南方科技大學(xué)何佳清教授課題組的科研工作者，創(chuàng)造性地使用改變制備工藝引入層狀結(jié)構(gòu)以及引入Ge修飾點缺陷的復(fù)合優(yōu)化策略，改善了MnTe體系材料的載流子濃度，提升了熱電性能。使用Mn_0.96Ge_0.04Sb₂Te₄制備的熱電發(fā)電器件（8對）在熱端溫度800K時發(fā)電量為0.81W，轉(zhuǎn)換效率可以達到5%^[3]。該工作以《Microstructural Iterative Reconstruction toward Excellent Thermoelectric Performance in MnTe》為題，發(fā)表在《Energy & Environmental Science》上，其中熱電發(fā)電器件的轉(zhuǎn)換效率使用PEM-2測得。

圖5、使用Mn_0.96Ge_0.04Sb₂Te₄制備的熱電發(fā)電器件的結(jié)構(gòu)示意圖（a）；發(fā)電量、電壓（b）及轉(zhuǎn)換效率（c）與電流的關(guān)系；本工作與其他工作的比較（d）

延伸閱讀

       日本ADVANCE RIKO公司已專業(yè)從事“熱"相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)近60年，并一直走在相關(guān)領(lǐng)域的前端，為世界各地的科學(xué)研究及生產(chǎn)活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數(shù)測量等系統(tǒng)。2018年初，Quantum Design 中國公司將日本ADVANCE RIKO公司的新先進熱電材料測試設(shè)備：小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM及薄膜厚度方向熱電性能評價系統(tǒng)ZEM-d引進中國。

       2018年7月，Quantum Design中國與日本ADVANCE RIKO達成協(xié)議，作為其熱電材料測試設(shè)備在中國的代理商繼續(xù)合作，攜手將日本ADVANCE RIKO先進的熱電相關(guān)設(shè)備介紹到中國。

       目前，所有中國用戶購買的日本ADVANCE RIKO熱電產(chǎn)品，均由Quantum Design中國公司的工程師團隊負(fù)責(zé)安裝及售后服務(wù)。同時，Quantum Design 中國公司在日本ADVANCE RIKO公司的協(xié)助下，在北京建立部分熱電設(shè)備示范實驗室和用戶服務(wù)中心，更好的為中國熱電技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。

參考文獻

[1] Qin Bingchao et al., Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments, Science 30 Jul 2021: Vol. 373, Issue 6554, pp. 556-561

[2] Liu Dongrui et al., Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics, Science 380, 841–846 (2023)

[3] Luo Yiyuan et al., Microstructural Iterative Reconstruction toward Excellent Thermoelectric Performance in MnTe, Energy Environ. Sci., 2023, Advance Article

相關(guān)產(chǎn)品

1、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)-PEM

2、小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)-Mini-PEM