利用垃圾热量进行电力

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(Bi₂te._3.)、碲化铅(PbTe)、氧化锰钙(Ca₂m_3.O₈）或根据温度组合它们。这些材料中的一些可能昂贵。最后，它通常需要高温的珀耳帖模块来产生大量的电力。基于铋和锑，碲或硒的合金被认为是低温的热电梁，但要看出高于300°F以上的温度。基于铅合金的热电子处理高达约1,000°F的温度，硅 - 锗热电学率为高达约1,800°F的温度。因此，珀耳帖热电源器倾向于仅用于低功耗远程应用。

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，κ是导热系数。北洋大学研究人员在中国说它难以改善ZT，因为在其中一个参数中的改进倾向于使一个或多个其他其他参数的方向越来越多。因此，到目前为止，许多改善ZT的策略仅在狭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。

一个限制热电性能的一个因素是带隙，即热电材料电子的离散能量。带隙由ES = 2E给出_最大限度T, e是单位电荷S_最大限度是最大的塞贝克系数，而t是相应的温度_最大限度。塞贝克系数基本上测量用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、BiSbSe_3.，K₂Bi₈Se₁₃和SB.₂如果₂te.₆。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。

收获热灯

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，大多数地面来源比太阳更凉爽。从Wien的定律，随着黑体源掉落的温度，其峰值功率的波长上升，使得100至400°C之间的源温度在热红外范围（7至12μm波长7至12μm）中具有光谱。估计，美国在美国产生的超过95％的废热低于400°C（752°F）。

问题是，普通光伏电池不会有效地将这种光转换为电力。光伏电池基本上是P-N二极管，其中收集的光子产生基本上是二极管的反向电流。但光伏电池发电的能力取决于其材料的带隙;如果吸收光的能量低于（通常）硅光电二极管的带隙能量，则不会发生光伏效果。室温下的硅具有1.12eV的带隙能量，截止波长为1.1μm。

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。

隧道二极管的特征在于重掺杂到二极管P型材料的费米水平位于价带以下的点，并且其N型材料的费米水平位于导通带上。该设置的量子力学是复杂的，但这种结构的点是它通过量子隧穿通过P-N结产生电流。（它还具有其IV特性中的区域，其中显示负电阻：当电压通过隧道结二极管的电流降低时。）

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，在较低温度的热致电压器件中发生了有希望的发展。一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。

桑迪亚研究人员创造了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。

该实验装置产生的功率量很小。研究人员表示，它们看到了27μw/ cm的峰值功率密度²用于250和400°C和61μW/ cm的热源²350°C。产生的开路电压位于几毫伏的范围内。研究人员还说他们可以通过改变所涉及的半导体和金属层的厚度来调节装置最有效的温度。

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.