麻省理工热电材料新突破：ZT值提高5倍，转换效率提高2倍！

麻省理工学院的物理学家们发现了一种利用金属、热和磁场来产生能量的方法，显着地提高热电转换效率。图片来源：Chelsea Turner/麻省理工学院

传统上，发动机在给汽车提供动力的时候会散发出相当多的热量，假如我们可以像用发电站发出的热量获得电能那样利用发动机的这部分热量，又会是什么样的情况呢？随着热电材料的不断改进，这种节能方案可能会被大范围应用。这种方案的基本原理是：当材料的一侧被加热时，热电材料就会自发地产生电能。

科学家们在过去的60多年里研究了许多材料，探究它们的热电势规律，还有将热量转化为电能的效率。但到目前为止，大多数材料的能量转化效率都很低，无法实现大范围应用。

麻省理工学院的物理学家们zui近发现了一种可以显著提高材料热电转化能力的方法，并且在《Science Advances》杂志上发表了这种理论方法。他们用这种方法制作了新的材料，经测试其热电效率是目前zui好的热电材料的五倍，并且理论上能够转换两倍的能量。

麻省理工学院电子研究实验室的布赖恩•斯金纳(BrianSkinner) 博士后表示：“如果这种材料的性能完全符合我们预期，那么现在许多低效率的事情以后做起来就会更有效率。人们可能会在自己的汽车里发现，有一些小的热电回收装置把汽车引擎释放出的余热带走，然后利用这部分能量来给电池充电。这些装置也可以放在发电厂周围，这样以前被核反应堆或燃煤电厂浪费掉的热量就能够被回收到电网中。”斯金纳的这篇文章的合著者是麻省理工学院物理梁富副教授（音译，Liang Fu）。

在理论中寻找突破

材料的电子在温差条件下的行为决定了材料利用热量产生电能的效率。当热电材料的一侧被加热时，材料内部会激发电子，并且电子会从热边跃出，在冷边积累。这些电子积累可以在材料冷热两边产生一个可测量的电压。

到目前为止已经被研究过的材料产生的热电能量都很少，部分原因是电子很难被热激发。在大多数材料中，电子存在于特定的能带或能量范围内。每个带之间都有一个间隙，这是一个很小的不能存在电子的能量范围。给电子注入足够的能量来跨越带隙，并使电子在物质上进行物理迁移，是极具挑战性的一项工作。

斯金纳和梁富决定研究一种称为拓扑半金属的材料的热电势。拓扑半金属与半导体和绝缘体等大多数其他固体材料不同，这类材料的独特之处在于它们具有零带隙。这是一种能使电子在加热时很容易跃迁到更高能带的能量结构。

科学家们通常认为拓扑半金属是在实验室中合成的一种较新的材料，但是不会产生很大的热电能量。当拓扑半金属材料在一边受热时，电子就会充满能量，并在另一端积聚。但是当这些带负电的电子跳跃到更高的能带时，它们留下了所谓的“空穴”：正电荷的粒子也堆积在材料的冷边，抵消了电子的作用，导致zui终产生的能量很少。

但团队还没有废弃对这些材料的研究。斯金纳在一项与此无关的研究中，观察到暴露在强磁场中的半导体产生了一种奇怪的效应。电子的运动轨迹在磁场影响下发生弯曲。斯金纳和梁富联想到：磁场会对拓扑半金属产生什么样的影响？

他们通过查阅文献，发现普林斯顿大学的一个研究小组为了充分表征一种名为铅锡硒化锡的拓扑材料，在2013年测量了它在磁场下的热电特性。研究人员报告说，他们在对这种材料的许多观察中发现，材料的热电发电量在35特斯拉的高磁场下增加了（作为比较，大多数MRI机器能够操作大约2至3特斯拉）。

斯金纳和梁富利用普林斯顿研究的材料特性，从理论上模拟了材料在一定温度和磁场条件下的热电性能。

斯金纳说：“我们zui终发现，材料在强磁场下会发生一件有趣的事情：可以让电子和空穴向相反的方向移动。实现电子向冷边移动，空穴向热边移动，材料中同时存在这两种现象。只要磁场更强，原则上就可以从同一材料中得到越来越大的电压。”

特斯拉作用力

他们在小组的理论模型指导下，计算了铅锡硒化物的ZT值，这个值表征了材料离通过热能产生电能的理论极限有多近。迄今为止已报道的zui高效的材料的ZT值约为2。斯金纳和梁富发现，在大约30特斯拉的强磁场下，硒化铅锡的ZT值可以比zui高效的热电材料高约5倍，达到10。

“这太不可思议了，”斯金纳说，“我们第一次发现这个结果时觉得它似乎有点太戏剧化了。我自己也花了几天时间才相信这一切都是真的。”

他们计算出，硒化铅锡在30特斯拉磁场中，加热到大约500k，或440华氏度的情况下，其ZT值等于10，应该能够将18%的热能转化为电能；而ZT值等于2的材料只能将8%的热能转化为电能。

该研究团队承认，目前可用的拓扑半金属必须在极高的磁场下加热才能达到如此高的转换效率，而世界上只有少数几个工厂能产生这么强的磁场。要使这些材料用在发电厂或汽车中，磁场的操作范围应为1至2特斯拉。

梁富说：“想要成功实施这个法案也是有条件的：使用的拓扑半金属要非常干净，即材料中有很少阻碍电子的移动的杂质。虽然要保证材料纯净是很有挑战性的，但是人们已经为提高这些材料的纯度付出了很多努力。”

他补充说，他们在研究中关注的硒化铅材料，并不是科学家合成的zui纯净的拓扑半金属。换言之，如果换用其他更洁净的拓扑半金属材料，就可以在更小的磁场中表现出相同的热功率性能。

梁富表示：“我们可以预料到，这种材料是一种好的热电材料，但应该还有更好的。一种方案是采用我们现有的zui佳拓扑半金属，在3特斯拉的磁场下进行性能测试。这种方案可能不会使转换效率再提高2倍，但可能提高20%或50%，这已经是一个相当大的进步。”

该团队已经为他们新的热电方法申请专利，并正在与普林斯顿研究人员合作进行新的实验测试。


来源：材料科技在线