文 献 综 述

1 热电材料简介：

所谓热电材料，是通过导体或半导体内部载流子的移动来实现电能和热能相互转换的功能材料，现在的主要应用在发电和制冷上。热电材料性能用热电优值来表示：Z=S²σ/κ。其中，S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率。由于Z值受温度影响，人们习惯用两者之积ZT来形容热电材料性能，ZT越大，热电转化率越高。^[1]

2 热电材料的原理：

热电效应包括3种相关联的效应:Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应。

Seebeck效应是德国科学家塞贝克在1823年发现的热能转换为电能的现象。在两种不同导体a,b或导电类型不同的半导体构成的回路中，当两个接点温度不同时,则两个接点间有电动势产生，且在回路中有电流通过。如附件2公式（1）其中S为Seebeck系数，单位为V/K,V_yz为电位差,ΔT为温度差。

Peltier效应与Seebeck效应相反,是法国科学家珀尔贴在1834年发现的。当两种不同导体组成的回路的接点有电流通过时，同时伴随在其中的一个接点处有吸热或放热的现象。改变电流的方向,吸放热的方向也随之改变。在单位时间内产生的热量与流经的电流I成正比,即附件中公式（2),其中π_ab为Peltier系数，单位为V。

Thomson效应与Peltier效应都是热电制冷效应，不同之处在于Thomson效应是存在于单一均匀导体的热电现象。Thomson效应是指当电流通过一段存在温度梯度的导体时，原来的温度分布被破坏,为维持原来的温度分布，导体将吸热或放热。Thomson热与电流和温度梯度成正比,即附件中公式（3），其中 β为Thomson系数，单位为V/K。^[1,2]

3 热电材料发展历史：

19世纪初，塞贝克发现把两个不同导体构成的闭合回路加热会产生电流，12年后，法国的珀尔贴发现电流通过两种不同金属时，街头附近的温度会发生变化。1855年，汤姆逊发现并建立了塞贝克效应和帕尔贴效应的关系，并预言了第三种温差电现象。当时人们虽然对热电现象及其可能的应用有相当了解，但是却忽略了”塞贝克”系列中的一些半导体，绝大多数金属的塞贝克系数很小，发电效率和制冷效率非常低，远未达到实用性。上世纪30年代，人们发现半导体材料的Seebeck系数可高于100μV/K。1947年后，原苏联成为热电研究的中心。1953年研制出热电家用冰箱样机，机箱内温度可比环境温度低24K，制冷效率约为20%。同时研制出了一些用热量做能源的热电发电装置，在偏远地区使用。但当时由于半导体材料的电导率远小于金属，以致于热导率与电导率之比大于金属，半导体材料作为热电材料的优势没有充分体现出来。50年代末期，约飞及其同事从理论和实验上证明通过利用二种以上的半导体形成固溶体，可以使λ/σ减小，从而使热电材料的前景明朗起来。此后，热电材料的进展较为缓慢，但热电材料的应用，尤其是医用和航空航天方面，得到了很大发展。^[2]近期发现的热电材料，ZT值已达到2.4，可将15%至20%的废（余）热转换成电力，成为目前最有效的热电材料。