導讀：當今，化石能源短缺和環境污染問題凸顯，能源的多元化和高效多用成為解決能源與環境問題的個重要途徑。作為種綠色能源技術和環保型制冷技術熱電轉換技術受到學術界和工業界的廣泛關注。熱電轉換技術是用材料的塞貝克效應與帕爾貼效應將熱能和電能進行直接轉換的技術，包括熱電發電和熱電制冷。這種技術具有系統體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣等點。熱電器件可以實現熱能和電能的直接轉換，在廢熱回收和固態制冷域具有重要的研究價值，對熱電發電器件的能量轉換效率進行精確測量是評價熱電材料和器件性能的重要基礎。

熱電材料性能指標的關鍵在于能源轉換效率，其由材料的無量綱熱電性能值（ZT值）決定。由ZT值的定義式（ZT = (Sσ/κ)T）可知，在給定溫度T下，高性能熱電材料應具有大的塞貝克系數S、高的電導率σ和低的熱導率κ。然而，這些熱電參數相互之間具有強烈的耦合關系，使得熱電材料的性能化具有很大挑戰性，調控這些強烈耦合的復雜熱電參數是提高材料ZT值和熱電轉換效率的關鍵。隨著熱電材料域的研究越來越受重視，不斷涌現出了諸多提升ZT值的有效策略：化載流子濃度以提高電導率；調整電子能帶結構、晶體結構、相結構等化電傳輸性能；通過引入點缺陷、位錯、晶界、納米沉淀物等進行多尺度分層架構設計以降低熱導率；探索和開發具有本征低熱導率性的新材料體系；通過高通量及基于基因計算等預測潛在熱電材料等。

近日，北京航空航天大學材料科學與工程學院趙立東教授團隊與南方科技大學、清華大學及武漢理工大學的科研團隊合作，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。該工作以《Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments》為題目發表在《Science》上。

以往研究中，多選用窄帶隙或半金屬材料作為熱電制冷材料，趙立東教授課題組則主要開發寬帶隙熱電材料，用各向異性調和電輸運與熱輸運的矛盾。該研究通過在動量空間和能量空間同時作用的多價帶協同傳輸策略，實現了p型SnSe晶體熱電性能的顯著提升；并制備了基于SnSe晶體材料的熱電器件，測試其溫差發電性能（大發電量及功率），還實現了大溫差的電子制冷。這研究表明SnSe基晶體材料在溫差發電和電子制冷方面有巨大潛力，使用p型SnSe晶體制備的器件，其制冷性能達到了使用傳統BiTe基材料商用器件的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等勢，具備十分巨大的應用價值。

圖1. 使用PEM-2測得的溫差發電器件性能：電壓（A）和輸出功率（B）

以上工作中，材料的電導率、塞貝克系數使用日本Advance Riko公司生產的塞貝克系數/電阻測量系統ZEM-3測得，熱電轉換器件（TEG）的發電量、輸出功率及熱電轉換效率使用日本Advance Riko公司生產的熱電轉換效率測量系統PEM-2測得。

圖2. 使用PEM-2測得的溫差發電器件的轉換效率

日本Advance Riko公司已業從事“熱”相關技術和設備的研究開發近60年，并直走在相關域的前端，為各地的科學研究及生產活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數測量等系統。2018年初，Quantum Design 中國公司將日本Advance Riko公司的新進熱電材料測試設備：小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM、塞貝克系數/電阻測量系統ZEM、熱電轉換效率測量系統PEM及大氣環境下熱電材料性能評估系統F-PEM引進中國。

2018年7月，Quantum Design中國與日本Advance Riko達成協議，作為其熱電材料測試設備在中國的du家代理商繼續合作，攜手將日本Advance Riko進的熱電相關設備介紹到中國。

目前，所有中國用戶購買的日本Advance Riko熱電產品，均由Quantum Design中國公司的工程師團隊負責安裝及售后服務。同時，Quantum Design 中國公司在日本Advance Riko公司的協助下，在北京建立部分熱電設備示范實驗室和用戶服務中心，更好的為中國熱電技術的發展提供設備支持和技術服務。

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] 《Science》刊發北航趙立東教授課題組在電子制冷材料研究上的新進展，北京航空航天大學新聞網

[3] 南科大何佳清團隊在Science發表SnSe熱電材料和器件重要成果，南方科技大學新聞網

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相關產品：

1、塞貝克系數/電阻測量系統-ZEM

2、熱電轉換效率測量系統-PEM

3.小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM

4.大氣環境下熱電材料性能評估系統F-PEM