北极星火力发电网讯:热电材料是一种可将热能与电能相互转换的新型功能材料，利用它可制成温差发电机将热能转化为电能，也可制成制冷机通过电能直接进行制冷。与传统意义上的热机的工作原理不同，此类器件中进行热电转化的物质无需任何机械传动装置，工作中无相变，使得它具有质量轻、体积小、便于携带、工作性能稳定、无噪音、无污染、使用寿命长等诸多优点。热电材料作为一种新型能源材料，有望在缓解世界能源和环境污染间的矛盾方面作出重要的贡献，因此具有广阔的应用前景。热电材料取得突破性进展的关键在于热电材料性能的提高，决定其热电转换效率的指标是热电优值系数。传统热电材料热电优值系数普遍较低，限制其广泛应用。目前已获商业化应用最广泛的传统块体热电材料Bi2Te3，其室温下的热电优值系数仅为0.6。目前正在积极研发高热电优值系数的新型热电材料。
一、超晶格材料
超晶格结构热电材料利用超晶格组成成分中的晶格不匹配来降低材料的晶格热导率。据报道，利用分子束外延技术制备的PdSe1-x/PdTe超晶格材料，其热电优值系数可达对应块体材料的两倍。
二、纳米复合材料
纳米复合结构热电材料通过在热电材料中掺入纳米尺寸的杂质相，如掺入纳米颗粒或引入纳米尺寸孔洞等，来降低材料热导率。例如，利用热压法制备的Bi2Sb2-xTe3纳米粉末在373K下其热电优值系数可达1.4，相对其块体材料有了显著提高。
三、量子阱薄膜材料
近年来，在热电优值系数上突破最大的为美国Hi-Z公司研制的多层量子阱薄膜热电材料，其设计的BiTe/SbTe膜应用量子阱结构，将热电优值系数提升至3，该公司利用分子束外延技术及磁控溅射技术制备的SiGe/BC量子阱多层膜材料更将热电优值系数提升到了4。这种新型结构带来了热电材料的革命性变化，多层膜结构的材料极大地减小了热电器件的质量，并有效提高了热电转化效率，在25°C~50°C热电转化效率可达25%，50°C~600°C可达30%~40%。制备此类薄膜热电材料，目前主要采用分子束外延，磁控溅射两种技术。磁控溅射法制备薄膜具有高纯度，成分均匀，膜厚可控以及与基板附着力好等优良性能。若采用传统的磁控溅射方法制备薄膜，可降低成本，提高沉积速率，且过程更易控制，可为工业化大规模生产奠定基础。
热电材料的另一个研发方向是功能梯度材料。目前描述的各种均质热电材料的热电优值系数只在某一特定温度区域才能取得最大值，但在实际温差发电过程中，冷热端存在上百度甚至上千度的温差，因此在大温差范围内，采用任何一种均质热电材料都不能发挥其最佳性能，只有沿温度梯度方向选用具有不同最佳工作温度的热电材料，使之联接成多段热电装置形成梯度结构，才能有效扩大工作温度区间;并使每段材料工作在各自最佳温度范围内，获得最佳的热电优值，有效提高热电转换效率。
原标题:高效热电材料的研发方向
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