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摘 要：日本物质材料研究机构开发了一种可以从热能中提取电能的“热电转换材料”以及低成本制造该材料的新技术，该新材料不仅可以应对全球变暖，还有望用作IoT设备的传感器电源，并且可能将加速其实用化研究。
关键字：热电转换材料、物联网设备IoT、传感器、铁-铝-硅系热电发电模块、薄膜材料、FAST
铁-铝-硅系热电发电模块
（图片均来自网络）
日本物质材料研究机构开发了一种可以从热能中提取电能的“热电转换材料”，除了这种热电转换性能极高的新材料之外，还开发了可由日常生活中的材料低成本制造该新材料的技术。该新材料不仅可以应对全球变暖，还有望用作将万物连接到网络的IoT设备的传感器电源，并且可能将加速其实用化研究。
在11月27日由日本物质材料研究机构在线举行的“NIMS WEEK 2020”上，科研人员相继发表了以有效利用热能为目标的前沿研究。其中，在海报上被宣传为“改变游戏规则的超高性能发现”“已期待半个世纪”等的热电转换材料研究备受关注。
以下，将对日本物质材料研究机构的WPI国际纳米技术研究基地组长森孝雄的演讲进行详细介绍。在该演讲中，主要介绍了两种新材料。
一种是铁-钒-铝系热电转换材料。该材料是日本物质材料研究机构与奥地利维也纳工科大学的共同研究结果。其主要目标是利用磁性，提高热电转换性能。在硅基板上制作薄膜时，形成了独特的结构，大幅提高了热电转换性能。
热电转换材料是一种利用温差产生电压的物质。利用温差产生电压差的热电现象被称为“塞贝克效应”，于19世纪初被发现，但是，这种热电材料价格高，且难以提高性能，因此很少用于提取电能的普通产品。
已知50多年前发现的“铋-碲系化合物”在室温至数百摄氏度的条件下使用时，具有最高的热电转换性能，但至今没有发现能够超越这一化合物的材料。
物质材料研究机构等所研发的薄膜材料在接近室温时的热电转换性能指数达到了铋-碲系化合物的数倍。不过，该材料单纯用作薄膜的性能还“不能立即实用化”（森孝雄组长）。因此，像半导体那样，物质材料研究机构正在对该薄膜进行精细加工、多元素化的研究。将该薄膜材料用作热电转换材料，有可能开启一个新的应用领域。
另一种是用于“块体”的普通材料，该材料的研究也取得了很大进展。森孝雄组长表示，“目前还处于投稿研究论文阶段，所以不能透露详细内容”，但据说，已经开发出发电所需的p型和n型两种材料，并申请了专利。
实际上，已经开始制造发电元件并对其性能进行评估，而且获得了与铋-碲系材料相当、且在某些温度范围内甚至超越铋-碲系材料的热点转换性能。这是第一次出现有可能与铋-碲系材料相抗衡的材料。
据说，该新材料还有优化的余地。森孝雄组长表示，“这一成果是实现铋-碲系材料的替代材料的第一步。今后，将继续对该材料进行研究，以获得优异的替代材料，打开热电转换元件应用的突破口”。
使用高热电转换效率的新材料试制的设备
铋-碲系材料含有稀有元素和有毒元素，因此难以投入实际使用。考虑到成本和环境保护方面的因素，需要开发一种高性能的替代材料。
森孝雄组长所开发的材料可以解决以上课题，此外，物质材料研究机构等产官学小组也在2019年成功开发了一种仅由常见材料构成的新材料。该材料以铁、铝、硅这些常见材料为原料，取名为“FAST”。新材料不仅有利于环境保护，还有可能将材料成本降低至五分之一以下。
一些大学和其他研究机构也在积极研究热电转换材料，日本产业技术综合研究所、东北大学、东京工业大学等相继在2020年发表了研究成果。2019年度，日本科学技术振兴机构（JST）在未来社会创造事业的大规模项目型研究中也以创新型热电转换技术为主题。这些研究广泛开展的背景正是热电转换材料在迅速发展的IoT技术中的应用。
在IoT中，一般使用传感器收集和传输信息。目前正在研究传感器在工厂中的应用，即利用传感器收集制造设备的运转状况信息并无线发送数据，然后利用AI（人工智能）分析数据以提高生产效率等。热电转换材料是最适合用作传感器电源的材料。在机械设备的某些部分，表面温度会升高，因而设想使热电转换材料利用该温差。
虽然物质材料研究机构等开发的FAST还具有需提高热电转换性能的课题，但是即使在温差约为手温的情况下也可以发电。目前，正在试制一种热电转换模块作为与IoT设备结合的电源，且正在对其用途开发进行探讨。假定使用近距离无线通信“蓝牙”。
此外，还有可能使用传感器来管理人体健康。研究人员还考虑将热电转换材料应用于通过人体热量来发挥作用的可穿戴终端。
除了提高热电转换效率和降低制造成本外，将热电转换材料顺利集成到物联网设备中并加以使用的开发也是今后的研究课题。
迄今为止，关于电能的材料研究以干电池、充电电池、太阳能电池、燃料电池、超导电池等为主题。今后，热电转换材料可能会成为材料研究的新支柱。
翻译：李释云
审校：李涵、贾陆叶
统稿：李淑珊
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