中国粉体网讯 热电材料通俗的讲就是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，热电材料可以进行温差发电或利用电能进行热能交换实现制冷，从而制成各种热电器件，是一种新型功能化环保材料。热电器件在工作中具有很多优点，比如体积小、重量轻、高效、安全环保、使用寿命长、工作无噪音、免维护等，其独特的制冷和发电功能已广泛应用于军事、医疗、工业、民用产品、实验室、光电、通信等领域。
热电效应
热电材料能源之所以可以互相转换是基于三个效应，这三个效应并不是独立存在的，是通过 Kelvin 关系联系起来的，同时也是热电器件实现热能和电能相互转换的基础。
Seebeck效应
Seebeck效应是一种可以将热能转换成电能的现象。其基本原理可以用图1（a）表示，由两种不同导体材料A、B，彼此接合构成一个回路，如果保持两接合端的温度分别为T1、T2。假定两端存在一定的温度差△T，这就会驱使载流子发生定向移动，产生电流，就会在回路中会形成一个温差电动势V。
因此，定义Seebeck系数为：
S=dV/dT
其中S是Seebeck系数，单位常用μV•K-1，数值根据不同材料的温差电导性质可正可负。
图1：Seebeck效应和Peltier 效应原理示意图
Peltier效应
Peltier效应是Seebeck效应的逆效应，其原理如图1（b）是给回路通上电流I，则在接合端会产生吸热或放热的现象。吸热还是放热与给定的电流方向有关，吸热或放热的速率与材料的种类及电流大小有关。在接合端的吸热或放热速率表示成q，它与回路中通过材料的电流I成正比关系，公式如下：
q=πABI
其中πAB 表示单位时间内电流在接合端吸收或放出的热量，是一个常数，为A、B两种材料的Peltier系数之差，单位常用V或W•A-1。πAB的数值中正值表示吸收热量，负值表示放出热量。
Thomson效应
Thomson效应与Seebeck效应、Peltier效应不同，它不需要两种导体组成回路，是一种存在于单一均匀导体内的热电转换现象。假设流过一均匀导体的电流为I，施加于电流方向上的温差为ΔT=T1-T2，则该导体上的吸热（放热）速率为
q = βI△T
上式中，β为汤姆逊系数，单位为V/K。Thomson效应与Peltier效应类似，但Peltier 效应的回路中载流子的能量差异是由于两种导体的载流子势能差异引起，而Thomson效应则是由于温度梯度引起。
热电材料的分类
目前热电材料的选择可依其运作温度分为三类：
碲化铋及其合金：被广泛使用于热电制冷器的材料，其最佳运作温度＜450℃；
碲化铅及其合金：被广泛使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃；
硅锗合金：常应用于热电产生器，其最佳运作温度大约为1300℃。
热电材料的应用
热电器件主要由P型热电材料、N型热电材料、Cu和Al2O3陶瓷基板组成。热电器件的应用主要用于温差发电和制冷两个方面。目前，热电器件已经实现产业化，国内外有不少厂商在生产和销售热电器件。
图2：热电器件的结构图
国外的厂商主要有Marlow、TETechnology、TEC Microsystems等。
国内的厂商有广东富信科技股份有限公司、香河东方电子有限公司、上海申和热磁电子有限公司、 杭州大和热磁电子有限公司、河南鸿昌电子有限公司、江西纳米克热电电子股份有限公司等。
温差发电技术
此技术最早用于航空航天、军事领域。但是随着化石能源的日趋减少，美国、日本、欧盟等发达国家越来越重视温差发电技术在民用领域的研究，并取得了长足的进展。目前，温差发电技术可以合理利用太阳能、地热能、工业废热、汽车尾气废热、人体热等低品位能源转换成电能。
图3：汽车尾气温差发电装置
热电制冷技术
热电制冷主要应用有民用领域的车载冰箱、除湿器、小型饮料机、车用冷杯、冷帽、汽车座椅、化妆品存储箱以及电子领域的主板北桥制冷芯片、CPU测试平台、冷风装置、冷却板、大功率LED散热器、投影仪制冷等。
图4：热电制冷技术在生活中的应用
热电精确控温技术
热电精确控温主要应用在一些对温度要求比较高的精密设备或组件中。比如在光学领域热电器件主要用在对红外线探测器、高灵敏度CCD、激光发射器、分光光度计、色谱仪等仪器和部件的温度控制上。在医疗领域，热电器件主要用于DNA扩增仪、生物试剂检测装置、低温药剂保存箱以及各种高精度医疗仪器。
图5：热电精确控温技术在医疗领域的应用
随着传统石化能源日益紧张以及环境污染日趋严重，热电材料作为一种新型能源转换材料受到越来越多的重视。展望未来，探索具有特殊结构的新材料以及发展纳米热电材料，将是今后热电材料的主要研发方向。
