為什么沒(méi)有發(fā)明出一種熱效應(yīng)的電池呢？

【專家解說(shuō)】：熱電材料研究又成熱點(diǎn) 將不同材料的導(dǎo)體連接起來(lái),并通入電流,在不同導(dǎo)體的接觸點(diǎn)——結(jié)點(diǎn),將會(huì)吸收(或放出)熱量. 1834年,法國(guó)物理學(xué)家佩爾捷 (J. C. A. Peltier) 發(fā)現(xiàn)了上述熱電效應(yīng). 1838年,俄國(guó)物理學(xué)家楞次 (L.Lenz) 又做出了更具顯示度的實(shí)驗(yàn):用金屬鉍線和銻線構(gòu)成結(jié)點(diǎn),當(dāng)電流沿某一方向流過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí),結(jié)點(diǎn)上的水就會(huì)凝固成冰; 如果反轉(zhuǎn)電流方向, 剛剛在結(jié)點(diǎn)上凝成的冰又會(huì)立即熔化成水. 熱電效應(yīng)本身是可逆的.如果把楞次實(shí)驗(yàn)中的直流電源換成燈泡, 當(dāng)我們向結(jié)點(diǎn)供給熱量,燈泡便會(huì)亮起來(lái). 盡管當(dāng)時(shí)的科學(xué)界對(duì)佩爾捷和楞次的發(fā)現(xiàn)十分重視,但發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有很快轉(zhuǎn)化為應(yīng)用. 這是因?yàn)?金屬的熱電轉(zhuǎn)換效率通常很低. 直到20世紀(jì)50年代,一些具有優(yōu)良熱電轉(zhuǎn)換性能的半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn), 熱電技術(shù) (熱電制冷和熱電發(fā)電) 的研究才成為一個(gè)熱門課題. 目前,在室溫附近使用的半導(dǎo)體制冷材料以碲化鉍(Bi2Te3)合金為基礎(chǔ). 通過(guò)摻雜制成P型和N型半導(dǎo)體. 如前所述,將一個(gè)P型柱和一個(gè)N型柱用金屬板連接起來(lái),便構(gòu)成了半導(dǎo)體制冷器的一個(gè)基本單元. 如果在結(jié)點(diǎn)處的電流方向是從N型柱流向P型柱,則結(jié)點(diǎn)將成為制冷單元的“冷頭”(溫度為Tc), 而與直流電源連接的兩個(gè)頭將是制冷單元的“熱端”(溫度為Th). 佩爾捷系數(shù)Π= Q· / I, 其中Q·是單位時(shí)間內(nèi)在結(jié)點(diǎn)處吸收的熱量, I是電流強(qiáng)度,Π的物理意義是,單位電荷在越過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)的能量差.在熱電材料研究中,更容易測(cè)量的一個(gè)相關(guān)參數(shù)是澤貝克(Seebeck)系數(shù)α,α=Π/ T, 其中T是溫度. 顯然,α描述單位電荷在越過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)的熵差. 對(duì)于制冷應(yīng)用來(lái)說(shuō),初看起來(lái),電流越大越好,佩爾捷系數(shù)(或澤貝克系數(shù))越大越好.不幸的是,實(shí)際非本征半導(dǎo)體的性質(zhì)決定了二者不可兼得: 電流大要求電導(dǎo)率σ高, 而σ和α都是載流子濃度的函數(shù). 隨著載流子濃度的增加,σ呈上升趨勢(shì),而α則下跌, 結(jié)果α2σ只可能在一個(gè)特定的載流子濃度下達(dá)到最大 (注:由熱激活產(chǎn)生的“電子-空穴對(duì)”本征載流子, 對(duì)提高熱電效益不起作用). 半導(dǎo)體制冷單元的P型柱和N型柱, 都跨接在Tc和Th之間. 這就要求它們具有大的熱阻.否則,將會(huì)加大Tc和Th間的漏熱熵增, 從而抵消從Tc端吸熱同時(shí)向Th端放熱的制冷效果. 最終決定熱電材料性能優(yōu)劣的是組合參數(shù)Z =α2σ/κ, 其中κ是材料的熱導(dǎo)率. 參數(shù)Z和溫度T的乘積ZT無(wú)量綱, 它在評(píng)價(jià)材料時(shí)更常用. 目前,性能最佳的熱電材料, 其ZT值大約是1.0 ；為要使熱電設(shè)備與傳統(tǒng)的制冷或發(fā)電設(shè)備競(jìng)爭(zhēng), ZT值應(yīng)該大于2. Glen Slack把上述要求歸納為“電子-晶體和聲子-玻璃”.也就是說(shuō),好的熱電材料應(yīng)該具有晶體那樣的高電導(dǎo)和玻璃那樣的低熱導(dǎo).在長(zhǎng)程有序的晶體中,電子以布洛赫波的方式運(yùn)動(dòng).剛性離子實(shí)點(diǎn)陣不會(huì)使傳導(dǎo)電子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn).電阻的產(chǎn)生來(lái)源于電子同雜質(zhì)、晶格缺陷以及熱聲子的碰撞.因此,在完善的晶體中σ可以很大. 以無(wú)量綱優(yōu)值系數(shù)ZT來(lái)衡量熱電材料: BiSb系列適用于50—150K溫區(qū); Bi2Te3系列適用于250—500K; PbTe系列適用于500—800K; SiGe系列適用于1100—1300K. 低溫?zé)犭娖骷?T≤220K)主要用于冷卻計(jì)算機(jī)芯片和紅外探測(cè)器.高溫?zé)犭娫O(shè)備可將太陽(yáng)能和核能轉(zhuǎn)化成電能,主要用于航天探測(cè)器和海上漂浮無(wú)人監(jiān)測(cè)站的供電. 最近,氟里昂制冷劑的禁用,為半導(dǎo)體制冷的發(fā)展提供了新的契機(jī). 1998年秋季在美國(guó)波士頓召開的材料研究學(xué)會(huì)(MRS)學(xué)術(shù)會(huì)議上,熱電材料研究再一次成為討論的熱點(diǎn). 參考文獻(xiàn) [ 1 ] Tritt T M. Science, 1999, 283: 804—805 [ 2 ]南策文.中國(guó)科學(xué)基金, 1999(4): 199—203 (中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所　戴聞)