背景
對于智能硬件、可穿戴電子設(shè)備、智能手機等電子產(chǎn)品來說，電池似乎成為了關(guān)鍵瓶頸：續(xù)航時間短、需要反復(fù)充電等問題都嚴(yán)重影響著用戶體驗。
為了解決上述問題，除了改善電池本身性能之外，還有一種辦法就是：采用新的能量采集和供應(yīng)方式。之前，筆者介紹過“自供電”技術(shù)。在眾多實現(xiàn)自供電方案的方法中，有一種就是：溫差（Thermoelectric）發(fā)電，也稱為“熱電”發(fā)電。
首先，讓我們來簡單認(rèn)識一下溫差電效應(yīng)。它是指在特殊材料中，由于溫度差異而產(chǎn)生電壓的過程。一般來說，材料的一端較熱，另外一端較冷時，電荷載體就會從熱的一端向冷的一端移動，形成電動勢，從而產(chǎn)生電壓。這種材料只需要低于一攝氏度的溫差，就能產(chǎn)生檢測得到的電壓。
溫差電效應(yīng)是由于不同種類固體的相互接觸而發(fā)生的熱電現(xiàn)象。它主要有三種效應(yīng)：塞貝克（Seebeck）效應(yīng)、帕爾貼（Peltier）效應(yīng)與湯姆遜（Thomson）效應(yīng)。為了讓大家更容易理解今天要介紹的創(chuàng)新成果，重點介紹一下塞貝克效應(yīng)。
塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）又稱作第一熱電效應(yīng)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。一般規(guī)定熱電勢方向為：在熱端電流由負(fù)流向正。在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流。相應(yīng)的電動勢稱為熱電勢，其方向取決于溫度梯度的方向。
該效應(yīng)是法國科學(xué)家塞貝克于1821年發(fā)現(xiàn)。后來發(fā)現(xiàn)，熱電勢還有如下兩個基本性質(zhì)：第一，中間溫度規(guī)律，即溫差電動勢僅與兩結(jié)點溫度有關(guān)，與兩結(jié)點之間導(dǎo)線的溫度無關(guān)。第二，中間金屬規(guī)律，即由A、B導(dǎo)體接觸形成的溫差電動勢與兩結(jié)點間是否接入第三種金屬C無關(guān)。只要兩結(jié)點溫度T1、T2相等，則兩結(jié)點間的溫差電動勢也相等。正是由于這兩點性質(zhì)，溫差電現(xiàn)象如今才會被廣泛應(yīng)用。
在未來科技發(fā)展中，熱電（TE）材料將發(fā)揮越來越重要的作用。例如，它可制作成首飾，利用人體熱量為植入式醫(yī)療設(shè)備例如：血糖監(jiān)測或者心臟監(jiān)測設(shè)備供電；也可以應(yīng)用于烹飪鍋，利用它產(chǎn)生的熱量為智能手機充電；或者應(yīng)用于電動汽車，將發(fā)動機的熱量轉(zhuǎn)化為電力；還可以應(yīng)用于飛機，利用機艙和外部冷空氣的溫差，產(chǎn)生更多的能量；最后，電廠也可以使用這種材料，從浪費的熱量中獲取更多的電力。
盡管科學(xué)家已經(jīng)探索出一些熱電材料的相關(guān)應(yīng)用，然而它們大部分仍局限于在高溫設(shè)備中。此外，目前用于溫差發(fā)電的材料，例如鎘、碲化物、汞基材料等，都是有毒的。
創(chuàng)新
這些年來，研究人員一直在尋找合適材料，期望既保證無毒環(huán)保，又可以制造出更多的電力。最近，日本大阪大學(xué)的研究人員與日立公司合作開發(fā)了一種新型TE材料，在室溫條件下，提高了功率因素。他們的研究成果發(fā)表于《Physica Status Solidi RRL》期刊，將幫助熱電材料突破高溫限制，應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。
技術(shù)
TE材料具有熱電效應(yīng)：在其一側(cè)施加熱量，就會有電流開始流動。相反，為設(shè)備施加外部電流，則會形成溫度梯度。例如，一側(cè)變得比另外一側(cè)更熱。通過熱量與電流之間的轉(zhuǎn)換，TE材料可用于電力發(fā)電機（給定熱源）或者冷凍機（給定電源）。
理想的TE材料應(yīng)該具有高導(dǎo)電性，允許電流流過；也具有低導(dǎo)熱性，防止溫度梯度夜間消失。發(fā)電性能主要取決于“功率因數(shù)”，它與導(dǎo)電性和“塞貝克效應(yīng)”都成比例。
文章的合著者 Sora-at Tanusilp 表示：“不幸地是，大多數(shù)的TE材料通常都是基于稀有或者有毒的元素。為了解決這個問題，我們將硅（一種常用的TE材料）與鐿相結(jié)合，制造出硅化鐿 [YbSi2]。我們從眾多材料中選擇鐿有幾個原因。第一，它的化合物都是良好的導(dǎo)體。第二，YbSi2是無毒的。更進一步說，這種化合物具有價態(tài)起伏的特性，使之在低溫條件下可成為足夠優(yōu)秀的TE材料?！?/p>
YbSi2 第一項優(yōu)勢是Yb原子占有混合價態(tài)，+2 和 +3。這種起伏，也稱為“近藤共振”，在低溫條件下保持類金屬的高導(dǎo)電性，從而增強了塞貝克效應(yīng)，并因此增加了功率因素。
第二，YbSi2 具有一種非同尋常的分層結(jié)構(gòu)。Yb 原子占據(jù)晶面，與純Yb金屬相似，在這些晶面之間，硅原子形成六邊形薄片，類似石墨中的碳原子薄片。這阻止了熱量通過材料傳導(dǎo)，因此保持了低導(dǎo)熱性，保持了溫度梯度。研究人員相信熱傳導(dǎo)會通過控制納米結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)以及其他缺陷的痕跡，得到進一步抑制。
價值
研究成果非常令人鼓舞，室溫條件下功率因素高達2.2 mWm-1K-2。這與傳統(tǒng)的基于碲化鉍的TE材料相比，非常具有競爭力。正如這項研究的通訊作者 Ken Kurosaki 所解釋的：“Yb的使用表明，我們能夠通過仔細(xì)地選擇正確的金屬，調(diào)解TE材料沖突的需求。室溫條件下的TE材料具有適度的功率，可視為對于傳統(tǒng)高溫、高功率器件的補充。這將幫助TE材料在日常技術(shù)中發(fā)揮作用?！?/p>
