MIT 報告目前效率最高的熱電材料,可將 18% 熱能轉為電力

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 29 日 19:14 | 分類 尖端科技 , 材料 follow us in feedly

迄今為止,表現最佳的熱電材料約可將 8% 熱能轉為電力,但據麻省理工學院團隊找到的一種理論進行建模,發現可將稱為拓撲半金屬的材料效率一舉提升 5 倍、並產生 2 倍以上能量。



熱電效應也稱席貝克效應(Seebeck effect),為熱電材料藉由溫差來產生電壓,當材料的一側被加熱時,會激發電子從較熱一側躍起並積聚在較冷一側,電子累積以產生電壓,過去 60 年來,科學家評估過無數種將熱能轉換成電能的熱電可能性材料,但到目前為止,多數材料中電子存於特定能帶,每個能帶都由間隙隔開,想要讓電子得到足夠能量以跨越帶隙甚至遷移極具挑戰性,也因此多數材料的熱電效率都很低,無法廣泛應用。

不過現在,麻省理工學院團隊找到一種可能大幅提升熱電材料潛力的理論方法,透過這種方法建模的材料效率提高達 5 倍,產生能量提高 2 倍,是目前表現最佳者。

團隊研究拓樸半金屬(topological semimetal)材料的熱電潛能,與大多數其他固體材料(如半導體或絕緣體)相比,拓撲半金屬獨特之處在於零帶隙,使材料在被加熱時電子可以輕鬆跳至較高能帶。

在初步實驗中,這類材料確實讓帶負電荷的電子更容易跳躍到較高能帶,但遺憾的是,它們也留下了帶正電的空位──電洞,最終抵消電子產生的熱量。到這裡,團隊尚未放棄,他們注意到前幾年一份研究指出,暴露於磁場中的半導體會發生奇怪效應,此時磁場影響電子運動,那如果現在他們對拓樸半金屬施加磁場會發生什麼事情?

實驗結果發現,在強磁場下,電子與電洞分道揚鑣,電子走向較冷一側,電洞朝向較熱一側,也就是說只要增強磁場,就可以從相同材料中獲得更大電壓。

2013 年時,普林斯頓大學曾測量一種拓樸材料鉛錫硒化物(lead tin selenide)在磁場下的熱電性質,發現於 35T 極高磁場下熱電效率顯著增長(做為比較,核磁共振成像只約需 2~3T),麻省理工學院團隊基於上述研究數值設計新模型,以了解不同材料在不同溫度與磁場下的熱電行為。

至今為止,已知效率最好的熱電材料其熱電優值(ZT)係數為 2,但研究人員隨後於模型中發現,硒化物於 30T 強磁場下 ZT 值可高達 10,是目前表現最好材料的 5 倍,如果將材料在強磁場下加熱到 226℃ 左右,至少能將 18% 熱能轉化為電力,而 ZT 值等於 2 的材料只能將 8% 熱能轉為電能。

不過團隊也承認,世界上能創造出如此高磁場環境的設備屈指可數,想讓材料實際運用於汽車發動機或發電廠上,磁場強度頂多 1~2T;另一種可能是這些材料非常乾淨,乾淨到沒有雜質妨礙電子流動,那麼對磁場強度的要求就能降低。

論文合著者、麻省理工學院物理學系副教授傅亮(Liang Fu)表示,鉛錫硒化物確實不是科學家合成過最乾淨的半金屬,應該還有其他更好的材料可在更小磁場下產生相同功率,比如該團隊開發的一種拓撲半金屬材料,雖然無法將效率提高 2 倍那麼多,但在 3T 磁場下可以提高 20~50%,已算不錯。他們的研究發表在《Science Advances》期刊。

(首圖來源:麻省理工學院