熱電器件
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
熱電器件的實例教程
來源 | Small
01
背景介紹
自19世紀塞貝克、珀爾蒂埃和湯姆森效應發現以來，熱電材料因其在建設節能世界方面的巨大價值而引起了科學家和工程師的興趣。TE材料可以通過溫度產生電能梯度，反之亦然。雖然全球三分之二的能源消耗被浪費為熱量，但通過收集廢熱，TE設備(TEDs)可以成為提高能源效率的潛在解決方案。TEDs不需要活動部件或對環境有害的工作流體，這可以提供可擴展且環保的發電和冷卻解決方案。對這一領域日益增長的興趣和研究投資使ted在空間和其他偏遠地區的發電，汽車和工業廢熱回收以及固態溫度控制器(如汽車氣候控制，小型便攜式冷卻器，微電子熱管理等)中的廣泛應用成為可能，旨在取代基于蒸汽壓縮的機械冰箱。TED需要將n型和p型半導體材料電串聯、熱并聯連接。根據應用的不同，TED可以分為兩種主要類型——發電(TEG)設備和冷卻(TEC)設備。
02
成果掠影
近日，美國諾特丹大學Yanliang Zhang綜述了熱電材料和器件的新進展。熱電材料可以將廢熱轉化為電能或充當固態珀耳帖冷卻器，正在成為解決全球能源短缺和環境可持續性的關鍵技術。然而，發現具有高熱電轉換效率的材料是一個復雜而緩慢的過程。高通量材料發現這一新興領域顯示出其加速開發高效率和低成本新型熱電材料的潛力。高通量材料加工和表征技術與機器學習算法的協同集成可以形成一個有效的閉環過程，以生成和分析廣泛的數據集，以發現具有前所未有性能的新型熱電材料。同時，先進制造方法的最新發展為實現可擴展、低成本和節能的熱電器件制造提供了令人興奮的機會。本文綜述了利用高通量方法發現熱電材料的最新進展，包括加工、表征和篩選。
展開 (圖五) 熱電模塊于電子及光電器件之應用
(a)IC package (b)AWG (c)Transceiver (d) IR sensor
4.為電流換能型器件，透過輸入電流的控制，可實現高精度的溫度控制，尤其體積小，效率高，非常適合于光通訊器件如AWG、Transceiver等器件、紅外sensor，以及Bio-MEMS器件之精密溫度控制，如圖五(b)~(d)所示。
5.適合局部冷卻(spot cooling)，熱電器件可只對特定之發熱器件作冷卻，而不必冷卻整個封裝結構，可節省耗電并增加效率。
6.其熱慣性非常小，致冷致熱時間很快，在熱端散熱良好冷端空載情況下，通電不到一分鐘，就能達到最大溫差。
7.具發電能力(溫差發電)，若在熱電器件兩面建立溫差，則可產生直流電，適用于中低溫區發電，如Seiko 公司的體溫發電腕表等。
8.單串熱電器件作的功率很小，但用同類型的熱電堆組合成熱電堆串，采并聯方式組合成一個大系統，功率就可以做的很大，由幾毫瓦到上萬瓦的范圍都有可能。9.其溫差范圍，由+90℃到-130℃之間均可達成。
10.冷卻速度快，其速度可透過調節工作電壓控制，且工作電流或電壓的精度要求不高。如額定12V 電壓，實際可使用到8~14V。
11.不受重力和方向影響，因熱電器件不需循環流體，故不受重力和方向的影響，適合應用在航天工業上。NASA應用此技術提供幾百瓦的電力于太空探測裝置上。
雖然熱電器件具有上述的許多優點，但是由于熱電器件的熱電轉換的效率有限，因此應用于實際的設計會有限制。熱電器件的效率到底是多少?
展開 來源 | Energy Conversion and Management
原文 | https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117017
01
背景介紹
熱電器件(TEDs)因其能直接將熱轉化為電，以及易于調節的主動冷卻能力而引起了人們的極大興趣。近年來，可穿戴電子技術的快速發展擴大了TEDs的可能應用范圍。一個方向是為小型可穿戴設備的不間斷供電收集身體熱量，因此TEDs可以作為可穿戴綠色電源。另一個方向是對人體進行降溫，使皮膚保持舒適狀態。相對于傳統的集中空調系統，只需少量的人員就會消耗幾千瓦的功率，個性化熱管理的TEDs對于不同的個體來說，在功耗和舒適度調節方面更加高效。在此背景下，設備的靈活性和對人體皮膚的順應性具有重要意義。通常，有不同的策略來獲得TEDs的靈活性。一種是利用內在柔性熱電(TE)材料來制造f- TEDs。雖然它們具有優越的內在柔韌性，但由于柔性TE材料的熱電性能較低，使得它們無法通過收集人體熱量來驅動可穿戴設備。另一種方法是通過蛇形金屬線、銀納米線或液態金屬等柔性電極連接高熱電性能材料和TE材料，然后用柔性彈性體封裝。雖然這些工作已經實現了相當大的可以驅動可穿戴設備的身體熱發電，但大多數還沒有實現對人體等任意幾何形狀的有效主動冷卻。因此，開發一種能夠同時實現高性能的身體熱發電和主動冷卻的可穿戴TED對于個人熱管理具有重要意義。
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成果掠影
柔性熱電器件(f- TEDs)可實現熱與電的直接能量轉換，在可穿戴柔性材料和個人熱管理方面具有廣闊的應用前景。
展開 熱電器件是利用半導體的熱電效應實現熱能和電能之間直接轉換的半導體器件，其在極端條件下的熱能發電、微區域局部溫度調控等領域具有重要的應用。有機聚合物熱電材料因其低熱導率、可溶液加工、以及輕薄柔性等特點在下一代熱電器件中有巨大的應用價值。近年來，以聚(3,4-二氧乙撐噻吩)為代表的p型聚合物熱電材料的研究取得了重大的進展，其熱電性能可以媲美性能優異的無機熱電材料。然而，聚合物熱電器件中不可或缺的另一半 — n型聚合物熱電材料，其研究進展較為緩慢，熱電性能普遍低于p型熱電材料。如何通過n型聚合物分子結構的改進來提高熱電性能是聚合物熱電材料領域研究的關鍵。
圖1 半導體材料的熱電效應以及利用熱電效應工作的兩類熱電器件：溫差發電機和主動制冷器。
北京大學化學與分子工程學院裴堅-王婕妤課題組與中科院化學所朱道本-狄重安課題組合作設計發展了給體片段以氟原子修飾的n型給受體聚合物熱電材料，利用聚合物鏈間的給受體相互作用維持聚合物的電子遷移率，通過引入氟原子增加聚合物的電子親和性以提高n摻雜效率，兩者的協同作用大幅度提高了聚合物的n型電導率。通過進一步提高聚合物的塞貝克系數，成功地將n型給受體聚合物的熱電性能提高了三個數量級。
聚合物的分子結構如圖2所示。在給體片段上引入氟原子降低了聚合物的前線軌道能級，同時可以在聚合物分子主鏈中引入多重氫鍵相互作用，以增加聚合物骨架的剛性、提高聚合物的鏈內電荷傳輸能力。摻雜后，引入氟原子的聚合物的n型電導率提升至1.3 S/cm，功率因子提升至4.6 μW/mK2，是目前n型給受體聚合物熱電材料的最佳性能。
圖2 “給體修飾”n型給受體聚合物的化學結構和熱電性能。
圖3 摻雜聚合物的熱電性能。(a) 電導率；(b) 塞貝克系數；(c) 功率因子。
展開 該研究報道了可應用于柔性熱電器件的石墨烯薄膜的大面積噴墨印刷技術。所利用的石墨烯來源于通過超聲輔助液相剝落（UALPE）剝離的塊狀石墨。用該方法制備的石墨烯薄膜表現出類似于少層石墨烯的電子傳輸性能，但卻具備來源于無序納米結構的玻璃態導熱性能。結果表明，薄膜的熱電性能不僅超過了以前關于全石墨烯材料的報道，而且還與通過更復雜的合成方案生產的先進石墨烯-導電聚合物納米復合材料的熱電性能相當。
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熱電器件的最新內容
同時，先進制造方法的最新發展為實現可擴展、低成本和節能的熱電器件制造提供了令人興奮的機會。本文綜述了利用高通量方法發現熱電材料的最新進展，包括加工、表征和篩選。還介紹了熱電器件的先進制造方法，以實現熱電材料在發電和固態冷卻方面的廣泛影響。最后，本文還對未來的研究前景和方向進行了探討。
A：燒結溫度對樣品組織結構的影響示意圖，B：超細晶和多孔結構對MgAgSb晶格熱導率的降低效果，C：超細晶和多孔結構MgAgSb與其他方式優化MgAgSb材料的熱電優值對比，D：制備的熱電制冷器件與目前最先進制冷器件的最大溫差對比，E：制備的熱電制冷器件與目前最先進制冷器件的最大COP對比。
圖2.
目前，碲化鉍（Bi2Te3）基材料仍為唯一的可應用的熱電制冷材料，然而Te元素的地殼稀缺程度等同于白金（且光伏材料CdTe占據一半市場份額），再且 Bi2Te3及熱電制冷器件存在可加工性能差、制冷性能不足和運行功耗過高等問題，探索和開發新型熱電制冷材料及器件至關重要。
與傳統熱電器件相比，該f-TED可同時實現自愈性、可回收性、靈活性、標準化功率密度大、低功耗、高體表冷卻效果。這種f-TED可以為開發可穿戴能量收集和個人熱管理設備提供新的機會。
很多研究將輻射制冷技術應用于熱電器件的冷端來提高發電溫差。如圖 9(b) 所示，當柔性可穿戴熱電設備和輻射制冷技術結合時，不僅可減少熱電設備的體積，還可以提高設備的發電功率。
圖 9 輻射制冷在其他領域的應用
由于輻射制冷量具有時間依賴性，輻射制冷在夜間效果更好，但白天對制冷的需求更大。因此可將相變材料和輻射制冷技術結合起到對冷量削峰填谷的作用。
將復合膜組裝成6個熱電單臂的柔性熱電器件（f-TEG）。如圖5(a)所示，當溫差為21.7, 27.2和34.1 K時，該器件的開路電壓分別為11.21, 15.50和21.2 mV。如圖5(b)所示，當溫差為21.7, 27.2和34.1 K時，最大輸出功率分別為0.79, 2.11和4.04 μW。在溫差34.1 K時的最大功率密度高達37.6 W m-2。
晶界的排列，對電介質、熱電和光伏器件中使用的功能材料的性能，也有深遠的影響。在地質學領域，晶界遷移模型對于理解地幔巖石的性質和從大冰原的微結構測量中獲得古氣候信息非常重要。
</p><p> 此次采用Comsol傳熱和電流模塊結合弛豫鐵電納米復合物的介電熵變方程來描述電卡器件的制冷仿真，上下兩端耦合熱電器件進行控溫和熱絕緣。
最終，基于這一高熵穩定基體，通過進一步引入能帶收斂效應，以及誘導層級微結構的形成，p型硫族化合物的熱電性能得到大幅提升，熱電優值可以達到2.0，而基于本工作的p型硫族化合物和之前工作的n型硫族化合物，所制備的分段熱電器件可以實現12%的熱電轉換效率。
圖2.
同時，這種織物與皮膚之間形成的顯著溫差還可成為構成熱電發電器件的重要組成部分，為新一代綠色能源的出現提供了可能。
升降溫設備已經成為了人類生產生活中的重要組成部分，然而傳統的冷卻器及加熱器會消耗大量的化石能源。隨著資源與能源的日益短缺，我們亟需新型的個人熱管理方式來減少能源消耗。
