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級利用成為解決能源與環境問題的一個重要途徑。作為一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。熱電器件可以實現熱能和電能的直接轉換，在航空航天、低品位熱回收和固態制冷領域具有重要的研究價值。

       近年來，隨著熱電技術的深入研究，特別是對熱電半導體輸運機制的深入理解及新的調控機理及制備手段的應用，熱電材料的性能得到了長足的進步，研究重點也逐漸從側重基礎的材料研究向側重應用的器件研究轉移。

       熱電器件可按用途簡單分為熱電發電器件（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和電串聯的形式構成，其工作原理見圖1。隨著航空航天、物聯網及低品位熱回收等領域的進展，熱電發電器件的性能越來越受到人們關注，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，器件的結構（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，對于發電器件性能的準確測量從而改善器件的設計及制造工藝成為科研工作者的迫切需求。

圖1、熱電發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換測量系統Mini-PEM（圖2）可以測量單腿器件的熱電轉換效率，該設備為目前少數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換效率的測量系統，熱端溫度可達500℃，可以測量器件在不同溫差條件下的發電量、熱流量及最大轉換效率。

圖2、小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM

       碲化鉍基熱電材料（BiTe）在室溫附近具有優異的熱電性能，被廣泛應用于低溫區的制冷及發電，是目前商業化應用的熱電材料體系，但Te元素的稀缺性（地殼內含量：0.005 ppm）使其廣泛應用受到限制，因此尋找新的材料體系對于熱電材料的廣泛應用非常重要。來自北京航空航天大學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，測試其溫差發電性能（最大發電量及功率），還實現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勢，具備十分巨大的應用潛力^[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電和制冷都表現出優異的性能。發電器件（TEG）在300K溫差下能夠實現高達12.2%的發電效率，制冷器件（TEC）在室溫及高溫下也均實現了優異的制冷性能^[2]。

圖3、使用SnCu_0.001Se制備的單腿熱電發電器件的熱電轉換效率（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，發表在《Science》上，其中單腿發電器件的發電量及轉換效率均使用Mini-PEM測得。與上述工作不同，如果樣品為多對p-n結構，ADVANCE RIKO公司則提供熱電轉換測量系統PEM-2用于發電量及轉換效率的測量。熱電轉換測量系統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、熱電轉換效率測量系統PEM-2

       近期，來自南方科技大學何佳清教授課題組的科研工作者，創造性地使用改變制備工藝引入層狀結構以及引入Ge修飾點缺陷的復合優化策略，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制備的熱電發電器件（8對）在熱端溫度800K時發電量為0.81W，轉換效率可以達到5%^[3]。該工作以《Microstructural Iterative Reconstruction toward Excellent Thermoelectric Performance in MnTe》為題，發表在《Energy & Environmental Science》上，其中熱電發電器件的轉換效率使用PEM-2測得。

圖5、使用Mn_0.96Ge_0.04Sb₂Te₄制備的熱電發電器件的結構示意圖（a）；發電量、電壓（b）及轉換效率（c）與電流的關系；本工作與其他工作的比較（d）

延伸閱讀

       日本ADVANCE RIKO公司已專業從事“熱"相關技術和設備的研究開發近60年，并一直走在相關領域的前端，為世界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公司的新先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及薄膜厚度方向熱電性能評價系統ZEM-d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代理商繼續合作，攜手將日本ADVANCE RIKO先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] 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

相關產品

1、熱電轉換效率測量系統-PEM

2、小型熱電轉換效率測量系統-Mini-PEM