研究人員已經(jīng)開發(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)帶來巨大的福音。

基于電池的解決方法正變得越來越高效，并且越來越小型化。但是，關于某些應用，例如針對物聯(lián)網(wǎng)的傳感器（旨在實現(xiàn)零能耗），無法充分提高電池電量。這些設備將依賴于能量收集技術。

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

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

塞貝克效應是材料兩側(cè)之間的溫度梯度出現(xiàn)電壓的時候。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)是通過向硅中摻雜硼（p）和磷（N）等雜質(zhì)而實現(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表面的珀耳帖單元表示：熱（h）和冷（c）

TEG模塊實質(zhì)上由許多串聯(lián)的pN對組成。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對平行放置。熱電或TEG發(fā)電模塊已經(jīng)用于許多應用中，這些應用收集由于放射性物質(zhì)供應的衰減而散發(fā)的熱量（圖1）。此過程的效率取決于設備熱端（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)，電阻率和熱導率，T是測量熱電特性的溫度。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，并且必須減小熱導率λ=λe+λph（λe和λph分別表示電子和聲子的貢獻）。

該熱處理過程的效率基于三個參數(shù)：塞貝克系數(shù)，電阻率和導熱率。構(gòu)成品質(zhì)因數(shù)的這三個單獨的物理特性并非彼此獨立。因此，要改善一個而不惡化另一個是困難的或不可能的。λph（T）是唯一可以自由更改而不會影響其他參數(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教授進行的這項研究著重于沉積在Si晶片上的全Heusler薄膜合金，因為它們的pF和ZT值相當高且成本適中。除了對熱電的期望外，薄膜還可以作為微電子等領域應用的基礎。

迄今為止已知的最佳材料的ZT值介于2.5和2.8之間。維也納大學的科學家已經(jīng)成功開發(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徹底改變傳感器電源市場，特別是在無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）市場中。使用無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的優(yōu)點。

“良好的熱電材料必須顯示出強大的塞貝克效應，并且必須滿足兩個難以調(diào)和的重要要求，”維也納大學固體物理研究所的恩斯特·鮑爾教授表示?！耙环矫?，它應盡可能導電。另一方面，它應該傳輸?shù)臒崃勘M可能少。這是一個挑戰(zhàn)，因為電導率和導熱率通常密切相關（圖2）?！?/p>

新材料具有立方體形狀的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)。兩個鐵原子之間的距離始終相同，其他類型的原子也相同。因此，整個晶體是完全規(guī)則的。當將薄薄的鐵層施加到硅基板上時，結(jié)構(gòu)發(fā)生根本變化，原子以完全無規(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)，從而確定了電子進入網(wǎng)格的路徑。出現(xiàn)的電荷以特定方式移動，從而獲得非常低的電阻值。穿過材料的電荷部分稱為韋爾費米子。晶體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性抑制了格柵的振動。導熱系數(shù)要低得多，因此可以從熱梯度獲得良好的電轉(zhuǎn)換。

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

本文編譯自powerelectronicsnews。