热电转换

热电转换效应的研究

张镱

哈尔滨工业大学能源学院核反应堆工程，哈尔滨150001，zuguoyukexue@ 摘要：热能是自然界最广泛的能量之一，电能是人类社会应用最普遍的能源。如何将热能转

换为电能并且提高热电转换的效率将是一件意义重大的课题。本文首先介绍热电转换的原

理，以塞贝克效应为基本原理，探索热电效应转换的效率。然后介绍现阶段热电转换研究进

展，展示当前热电转换的最新研究成果。其次，揭示热电转换效应在现代工业中的应用，比

如温差发电等新型能源的利用。最后，得出自己的研究心得与感悟，对热电转换效应有更深

入的认识。

关键词：塞贝克效应；温差发电；半导体；载流子

The research of thermoelectric conversion

Zhang Yi

Harbin Institute of Technology Nuclear Reactors of Energy Institute, Harbin 150001, china, zuguoyukexue@

Abstract: Thermal energy is one of the most extensive energy in the nature, electricity is the most common energy in the human social . How to convert heat to electricity and improve the efficiency of thermoelectric conversion will be a significant issue. This paper introduces the principle of thermoelectric conversion, to the basic principle of the Seebeck effect, to explore the efficiency of thermoelectric conversion. Then introduces the research progress of thermoelectric conversion at this stage, display the current thermoelectric conversion of latest research results. Second, revealing Thermoelectric effect in the application of modern industry, such as thermal power generation and other new energy. Finally, draw their own research experiences and has a better understanding on the thermoelectric conversion effect.

Key words: Seebeck effect; Thermal energy; Semiconductor; Carrier

“1821年，德国科学家塞贝克做了一个实验：当把一个由两种不同导体构成的闭

合回路置于指南针附近时，若对该回路的其中一个接头加热，指南针就会发生偏转。这种现象后来也就被称为塞贝克效应。1885年，瑞利研究了利用温差电现象发电的可能性。尽管当时人们已对温差电现象及其可能的应用有相当的了解，但可惜的是，研究者们忽略了“塞贝克系列”中的化合物半导体材料。因此相应的发电效率不可能超过0.6%，有些甚至只有0.1%左右。20世纪30年代，随着固体物理学的发展，尤其是半导体物理的发展，发现半导体材料的塞贝克系数可高于100μV/K.温差发电和制冷技术在近20年来同样取得了明显的进展，然而，真正要使温差电技术得到突破性进展，仍将有赖于材料温差电特性的显著提高。”①

塞贝克效应是热能转换为电能的现象。对于由两种不同的导体串联组成的回路，如果使两个接头1和2维持在不同的温度T1和T2(T1> T2),则在导体开路位置y和z之间，将会有一个电位差出现。其数值为

V yz=αab(T1─ T2)

只要两接头间的温差ΔT= T1─T2不是很大，这个关系就是线性的，即αab为常数。

该常数定义为两种异体的相对塞贝克系数，即

α

ab

= V yz∕ΔT (ΔT→0) 显然，塞贝克系数的单位是V/K。

“塞贝克系数通常也称为温差电动势率。它的微观物理本质可以通过温度梯度作用下导体内载流子分布变化加以说明。对于没有温差分布的孤立导体，其载流子在导体内为均匀分布。一旦温度梯度在导体内建立后，处于热端的载流子就具有较大的动能，趋于向冷端扩散并在冷端堆积，使得冷端的载流子数目多于热端。这种电荷的堆积将使导体内部的电中性遭到破坏。另一方面，电荷在冷端的积累导致在导体内建立一个自建电场，以阻止热端载流子向冷端的进一步扩散。这样当导体达到平衡时，导体内无净电荷的定向移动，此时在导体两端形成的电势差就是贝塞克电势。”②

20世纪初，德国的阿特克希提出了一个较好的解释温差发电的理论。该理论指出：较好的温差电材料必须具有较大的塞贝克系数，从而保证有较明显的温差电效应，同时应有较小的热导率，使热量能够保持在某一端附近，另外，还要有较小的电阻，使之产生的焦耳热很小。对这几个性质的要求可以用一个所谓的温差电优值来描述。其定

义为Z=α2σ∕λ,其中α和σ分别为塞贝克系数和电导率，λ为热导率。“当时人们的

主要注意力都放在了金属及其合金上，因为人们认为金属才是最重要的导电物质。然而，金属及其化合物的热导率与电导率的比值为一个常数，要想在减小热导率的同时增加电导率是根本不可能的。人们就主要是寻找塞贝克系数较大的金属材料，绝大多数的金属的塞贝克系数都很小，仅约为10μV/K，这严重制约了当时人们的探索。到了20世纪30年代，随着固体物理学的发展特别是半导体物理的发展，人们发现半导体的塞贝克系数可以高于100μV/K。”③因此，本文也就主要是讨论半导体的热电效应，为此，我们必须弄懂一些基本的半导体的知识。

“制造半导体器件的主要材料是单晶体，单晶体是由靠的很紧密的原子周期性重复排列而成的。半导体中的导带电子和价带空穴，在外场（电场、温度梯度等）作用下作定向运动，对导电有贡献，称为载流子。根据能带理论，晶体中载流子的允许能级既不同于孤立原子的分立能级，也不像真空中的自由电子的连续能态，而是出现在一定能量范围之内的准连续分布的能量状态组成的能带。各允许能带被禁带分隔，禁带中不存在载流子的允许能级。”④

“晶格原子振动可以由各种频率的格波的叠加来得到。对原胞中含有两个原子的情况，一维情况下，原子振动有两个独立的