将热量转化为能量的固态设备以效率低而闻名。新材料可能最终会改变这种局面。
利兰Teschler•执行编辑
估计是美国消耗的61％的能量损失。因此，难怪，那么，有兴趣找到收获其中一些损失的方法，并将废热转化为有用的方法越来越多地进行调查，是以热电材料，从热差分产生电力的材料。
热电发电机的经典例子是Peltier模块。尽管它们通常被用作固态冷却设备，Peltier模块也可以用作发电机。在这里，设备的一边被加热到高于另一边的温度。由于塞贝克效应，在两侧之间会形成电压差。
但有几个问题限制了佩尔蒂尔热电发电机的应用前景。其一是teg的典型效率只有5-8%左右。现代器件使用碲化铋(Bi2Te3.)、碲化铅(PbTe)、氧化锰钙(Ca2锰3.O8)，或根据温度的不同将它们组合在一起。其中一些材料可能很昂贵。最后，Peltier模块通常需要较高的温度才能产生大量的电力。基于铋、锑、碲或硒的合金被认为是低温热电材料，但温度高于300°F。基于铅合金的热电材料可以承受高达1000°F的温度，而硅锗热电材料可以承受高达1800°F的温度。因此，Peltier热电发电机往往只用于低功率的远程应用。
然而，对能够在较低温度下工作的热电装置具有很大的兴趣，并且更有效地将热量转换为电力。研究进展在两个主要领域：在较低温度下发电的材料，以及将热体发出的红外辐射转换为电流的装置结构。
要了解这项工作的方向，了解用于热电材料的优点图，通常给出ZT = S.2σT /κ。这里，S是塞贝克系数，σ是电导率，T是工作温度，k是热导率。北洋大学研究人员在中国说它很难改进ZT，因为在其中一个参数的改进往往会使一个或多个其他走向错误的方向。因此，到目前为止，许多改进ZT的策略只能在很窄的温度范围内工作。
北京航空航天大学的研究人员在中国率潜在的热电材料，以称号称为ZT。大多数窄带隙材料仅在窄范围内工作。一些宽带隙材料具有更广泛的热电范围。为了处理宽温度范围，热电也可以使用具有窄带隙的多种材料。最有希望的宽带隙材料的特征在于具有低对称性的层状晶体。点击图片放大。
限制热电性能的一个因素是带隙，即热电材料的电子的离散能量。带隙为Es=2e马克斯T, e是单位电荷S马克斯为最大塞贝克系数，T为S马克斯．塞贝克系数主要测量温度梯度产生的电压(S=ΔV/ΔT)。
为了获得一个在几百百度的跨度上工作的热电材料，通常的方法是使用多种材料，所有材料都具有窄的带隙或一种具有宽带隙的一种材料。在采用多个窄带隙材料的热电上具有实际问题，这些材料不匹配，因此目前更典型的方法是使用宽带隙材料，例如其带隙能量为约0.86eV的锡硒化物（SNSE）。北港研究人员报告了SNSE中的热电效应，跨越80至980ºF的范围。
然而，带隙宽的材料还存在另一个问题，这限制了它们作为热电材料的用途:它们往往具有较低的载流子密度，即太少的载流子可用来支持显著的电流流动。解决这一问题的方法是将SnSe晶体材料的取向设置成分层的方式，从而使更多的载流子可用。
北京航空航天大学的研究人员表示，他们已经用这种方法发现了几种有前途的热电材料，包括BiCuSeO、BiSbSe3.K2Bi8Se13和SB.2如果2Te6．但是，他们警告说，将具有高ZT值的材料变成商业设备，特别是可以在高温下工作的挑战。一个问题：用于电接触的材料的电阻率可以随着时间的推移而增长，特别是在高温存在下。
收获热光
在一定温度下的物体根据其表面温度辐射热量。例如，太阳的表面温度为6050°C。光伏电池将这种辐射能转换成电能。
当然，大多数地球热源都比太阳冷得多。根据维恩定律，当黑体源的温度下降时，其峰值功率的波长上升，使得源温度在100到400°C之间有一个热红外范围(波长7到12 μm)的光谱。据估计，美国95%以上的废热低于400°C(752°F)。
问题是，普通的光伏电池不能有效地将这种光转化为电能。光伏电池基本上是一个p-n二极管，在那里收集的光子会为二极管产生反向电流。但光伏电池发电的能力取决于其材料的带隙;如果吸收的光的能量低于(通常)硅光电二极管的带隙能量，则光伏效应不会发生。室温下硅的禁带能为1.12 eV，截止波长为1.1 μm。
为了制造一种能够更好地探测中程红外光波长的光电二极管，一种方法是使用一种叫做隧道结二极管的特殊类型的超快二极管结构来校正红外。它不像普通的光伏电池那样从光子中产生载流子，而是通过隧道来整流光波，其方式类似于高速二极管整流无线电波。
隧道二极管的特征是重掺杂到一个点，即二极管p型材料的费米能级低于价带，而n型材料的费米能级高于导带。这种结构的量子力学是复杂的，但这种结构的要点是，它通过量子隧穿通过P-N结产生电流。(它也有一个区域的IV特性，在那里它显示负电阻:当电压增加时，通过隧道结二极管的电流减少。)
迄今为止创建的大多数热到能量装置在1,000℃以上的温度下最佳地工作。创建在低于此级别的温度下工作的设备正在证明是艰难的。一个原因是，在更高的极端温度下工作较少的光子。
然而，在低温热伏打器件中有很有前景的发展。一个桑迪亚国家实验室最近发明的一种设备称为双极MOS隧道结二极管。该装置使用光栅将光耦合到一个小(3-4 nm)面积的SiO中2该势垒产生一个集中的电磁场，驱动光子辅助电子从掺杂p型硅到n型硅的隧穿。
桑迪亚研究人员创建这个设备基于隧道二极管将红外辐射转换为电力。转换机构是轻松的电子隧道，并且在掺杂硅和铝光栅之间的薄片中的半导体上放置在薄层中的半导体上的光栅。浓缩的光将电荷载体驱动到从p型到n型硅的隧道隧道，产生整流电流。多个隧道二极管形成电荷泵机构，电荷泵机构将电子从p型移动到n型孔。点击图片放大。
桑迪亚的装置使用所谓的光子辅助隧道，光子在金属门的费米能级附近被占据状态吸收，然后场增强隧道进入硅的未占据状态。其结果是产生很小的直流电。类似的时间反转过程发生在半导体中，导致回流电流进入金属栅极。总的直流电是由于这两种电流的不同，这是由于金属和半导体中电子的有效质量的不同而产生的。
桑迪亚研究人员设计了一个特殊的电路结构利用光子辅助隧穿效应。他们在隧穿栅电极下使用指叉双极P-N结阵列，作为电荷泵将电子从p型区域移动到n型阱。
这个实验装置产生的功率很小。研究人员表示，他们发现峰值功率密度为27 μW/cm2适用于250和400°C和61 μW/cm的热源2在350°C。开路产生的电压在几毫伏的范围内。研究人员还表示，他们可以通过改变所涉及的半导体和金属层的厚度来调整设备最有效的温度。
此设置的能量转换效率是适度的。研究人员表示，它是0.4％，但有些方法可以使用略微不同的栅极电介质和热收集设计来改善它。而且，实验装置在CMOS平台上制造，这可以使得可以最终扩大批量生产。DW.
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