研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新材料，該材料比以前的熱電材料更好地將熱量轉(zhuǎn)化為電能。這一發(fā)現(xiàn)可能為物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)巨大的福音。

基于電池的解決方法正變得越來(lái)越高效，并且越來(lái)越小型化。但是，關(guān)于某些應(yīng)用，例如針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器（旨在實(shí)現(xiàn)零能耗），無(wú)法充分提高電池電量。這些設(shè)備將依賴于能量收集技術(shù)。

能量收集是指從環(huán)境或系統(tǒng)本身收集為電子設(shè)備供電所需能量的能力。對(duì)能量收集的興趣刺激了互補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展，例如超低功率（皮瓦）微電子技術(shù)和超級(jí)電容器。

在這里，熱電材料（可以將熱量轉(zhuǎn)換為電能的材料）開(kāi)始發(fā)揮用途。這種空前的容量可用于為多種技術(shù)（例如傳感器甚至小型計(jì)算機(jī)處理器）供應(yīng)自主和可再生的能源，從而使它們能夠通過(guò)溫差出現(xiàn)自己的能量。效率越來(lái)越高的設(shè)備的出現(xiàn)可能為充分利用能量收集優(yōu)勢(shì)的新解決方法鋪平道路。

塞貝克效應(yīng)是材料兩側(cè)之間的溫度梯度出現(xiàn)電壓的時(shí)候。pN結(jié)是熱電器件（TEG）的基本組件，并且包含p型和N型熱電材料的單一結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是通過(guò)向硅中摻雜硼（p）和磷（N）等雜質(zhì)而實(shí)現(xiàn)的，每種雜質(zhì)都串聯(lián)電連接。

圖1：TEG發(fā)生器基本上由具有兩個(gè)表面的珀耳帖單元表示：熱（h）和冷（c）

TEG模塊實(shí)質(zhì)上由許多串聯(lián)的pN對(duì)組成。這種結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的電壓與熱梯度成正比：從熱的角度看，pN對(duì)平行放置。熱電或TEG發(fā)電模塊已經(jīng)用于許多應(yīng)用中，這些應(yīng)用收集由于放射性物質(zhì)供應(yīng)的衰減而散發(fā)的熱量（圖1）。此過(guò)程的效率取決于設(shè)備熱端（Th）和冷端（Tc）之間的溫差以及熱電材料的性能，用熱電性能因數(shù)ZT表示：

其中，S，ρ和λ分別是塞貝克系數(shù)，電阻率和熱導(dǎo)率，T是測(cè)量熱電特性的溫度。所謂的ZT值衡量在給定的溫差下可以出現(xiàn)的電能的數(shù)量：材料的ZT值越高，其熱電性能越好。為了提高某種材料的熱電性能，必須提高功率因數(shù)pF=S2/ρ，并且必須減小熱導(dǎo)率λ=λe+λph（λe和λph分別表示電子和聲子的貢獻(xiàn)）。

該熱處理過(guò)程的效率基于三個(gè)參數(shù)：塞貝克系數(shù)，電阻率和導(dǎo)熱率。構(gòu)成品質(zhì)因數(shù)的這三個(gè)單獨(dú)的物理特性并非彼此獨(dú)立。因此，要改善一個(gè)而不惡化另一個(gè)是困難的或不可能的。λph（T）是唯一可以自由更改而不會(huì)影響其他參數(shù)的數(shù)量。因此，提高整體效率的最有前途的方法是減小尺寸。TUWien固態(tài)物理研究所的ErnstBauer教授進(jìn)行的這項(xiàng)研究著重于沉積在Si晶片上的全Heusler薄膜合金，因?yàn)樗鼈兊膒F和ZT值相當(dāng)高且成本適中。除了對(duì)熱電的期望外，薄膜還可以作為微電子等領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。

迄今為止已知的最佳材料的ZT值介于2.5和2.8之間。維也納大學(xué)的科學(xué)家已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出ZT值為5至6的全新材料。它是硅，鐵，釩，鎢和鋁的薄層。新型高效材料可能會(huì)徹底改變傳感器電源市場(chǎng)，特別是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）市場(chǎng)中。使用無(wú)電池解決方法將使尊重環(huán)境成為可能。傳感器能夠從環(huán)境來(lái)源出現(xiàn)自己的能量要聰明得多。新材料發(fā)表在《自然雜志》上。這樣生產(chǎn)的材料具有緊湊和非常適應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。

“良好的熱電材料必須顯示出強(qiáng)大的塞貝克效應(yīng)，并且必須滿足兩個(gè)難以調(diào)和的重要要求，”維也納大學(xué)固體物理研究所的恩斯特·鮑爾教授表示?！耙环矫?，它應(yīng)盡可能導(dǎo)電。另一方面，它應(yīng)該傳輸?shù)臒崃勘M可能少。這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡妼?dǎo)率和導(dǎo)熱率通常密切相關(guān)（圖2）。”

新材料具有立方體形狀的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)。兩個(gè)鐵原子之間的距離始終相同，其他類型的原子也相同。因此，整個(gè)晶體是完全規(guī)則的。當(dāng)將薄薄的鐵層施加到硅基板上時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化，原子以完全無(wú)規(guī)分布的方式組裝在以空間為中心的結(jié)構(gòu)上。這種分布改變了原子的電子結(jié)構(gòu)，從而確定了電子進(jìn)入網(wǎng)格的路徑。出現(xiàn)的電荷以特定方式移動(dòng)，從而獲得非常低的電阻值。穿過(guò)材料的電荷部分稱為韋爾費(fèi)米子。晶體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性抑制了格柵的振動(dòng)。導(dǎo)熱系數(shù)要低得多，因此可以從熱梯度獲得良好的電轉(zhuǎn)換。

圖2：整個(gè)復(fù)合材料（層，界面和基底）的溫度相關(guān)塞貝克系數(shù)（a）和電阻率（b），以及Fe2V0.8W0.2Al的薄膜值。溫度相關(guān)的功率因數(shù)（c）和近似品質(zhì)因數(shù)（d）。[來(lái)源：Nature]

本文編譯自powerelectronicsnews。