热电技术大突破!全新合金材料转化效率创新记录 远超传统半导体

众所周知，热电材料可以将热能直接转化为电能，因此这项技术的潜力备受关注。世界各地的科学家也在不停寻找效率最高的材料。

奥地利维也纳工业大学的研究人员也不例外。他们探索了不同的金属合金，以找到最有效的热电材料。最后，镍和金的混合物被证明特别有前途。最新研究结果已于近期发表在了《科学进展》杂志上。

利用热能发电并不是什么新鲜事。自20世纪中期以来，它们被用于在太空探索中产生电能，但热电也用于便携式冰箱等日常应用。此外，它们还可以用于工业环境，将废热转化为绿色电力，这也是潜在应用之一。

热电的工作原理

热电效应是基于带电粒子从材料较热的一面迁移到较冷的一面的运动。这就产生了一个电压，即所谓的热电电压。热电电压与温差的比值就是“塞贝克系数”，这是材料热电性能的重要参数。

该研究的第一作者Fabian Garmroudi解释说：“尽管塞贝克(德国物理学家)在200多年前就发现了普通金属中的热电效应，但现在金属几乎不被认为是热电材料，因为它们通常具有非常低的塞贝克系数。”

性能优异的镍金合金

近期，来自维也纳工业大学的物理学家成功地发现了具有高导电性和特大塞贝克系数的金属合金。他们说，磁性金属镍与贵金属金的混合从根本上改变了电子性质。具体而言，当加入约10%的镍时，金的淡黄色立即消失，热电性能迅速提高。

科学家解释称，塞贝克效应增强的物理根源在于电子的能量依赖散射行为——一种与半导体热电效应根本不同的效应。由于镍原子的特殊电子特性，正电荷比负电荷散射得更强，导致所需的不平衡，从而产生高热电电压。

他们补充说，极高的导电性和塞贝克系数的结合，导致镍金合金的热电功率因数值创纪录，远远超过传统半导体。

“在相同的几何形状和固定的温度梯度下，可以产生比任何其他已知材料多很多倍的电力，”他们解释说，“此外，高功率密度可能使未来大规模领域的日常应用成为可能。以目前的性能为例，智能手表已经可以利用佩戴者的体温自动充电了。”

研究人员还说，“尽管黄金是一种昂贵的元素，但我们的工作代表了概念的证明。我们能够证明，不只有半导体，金属也能表现出良好的热电性能，使它们有各种应用潜力。金属合金与半导体相比具有各种优势，特别是在热电发电机的制造过程中。”

未来，该小组还将研究其他不需要昂贵元素金属加入的有前途的候选物质。