无需繁芜的设备装置，只要一种叫做“热电材料”的分外材料，在其两端施加以温度差——比如，一端是你 37℃的皮肤，另一端是这两天北京 0℃旁边的寒风，这三十几度的温度差就可以让这种材料发出一定功率的电能。
然而，这种优点多多、潜力巨大的发电技能，却有一个致命的毛病——效率太低。现有最好的温差发电材料，其效率只有常规火力发电厂的一半不到，用它给智好手表这样的可穿着设备供电也一贯是痴心企图。
不过，近日，一篇揭橥在 Nature 上的论文，给温差发电带来全新的运用遐想。一支由奥地利维也纳工业大学 Ernst Bauer 教授领衔的研究团队，实现了温差发电材料的关键性能指标——热电优值系数（ZT 值）的翻倍：他们开拓的热电材料具有高达 5 到 6 的热电优值系数，而之前最好的材料一样平常也只有大约 2.5 到 2.8。
ZT 值的超过式提升，意味着温差发电的效率将有望和一些传统发电技能的效率一较高下，在发电、制冷、供暖、医疗、可穿着设备等许多领域，都有着显而易见的广阔的运用前景，是业界期待已久、如今终于得偿所愿的主要技能打破。
图 | 维也纳工业大学 Ernst Bauer 教授（来源：维也纳工业大学）
未能解锁的广阔运用与其它利用热量进行发电的技能（比如燃煤电厂，燃气轮机）比较，理论上，热电技能有着无可比拟的独特上风。
首先，它没有运动部件，这使得这种设备没有噪音，也易于掩护。
其次，配套设备的本钱很低，只须要热源、冷源、导线就可以发电，因此重量也很轻。而传统火力发电所须要的锅炉、轮机都是非常弘大且金贵的设备。
第三，规模可大可小，既可以像发电厂一样进行大规模发电，也可以装在衣服里、贴在皮肤上为便携式设备供应电力。
第四，寿命长。一枚硬币大小的放射性同位素热源，就可以为温差发电机供应长达 20 年以上电力供应。这种技能已经运用到了一系列航天器上，阿波罗登月舱、先锋者、海盗、旅行者、伽利略和尤利西斯号宇宙飞船都依赖这种温差发电系统供应能源。
第五，如果反过来给温差发电设备通电，就可以直接把它转化为一台制冷机，有着像空调一样的功能，却比空调大略得多。
图 | 不少航天器上已经装备了核辐射为热源的温差发电机。（来源：NASA）
然而，受限于过低的效率，一贯以来，热电技能的运用只局限于温度丈量、太空、军事、野外等少数分外的领域。
要想提高热电效率，就必须要提高热电材料的 ZT 值。一样平常认为，ZT 值达到或者超过 4，这种技能才具有商用代价。然而，热电效应创造 100 多年过去了，科学家们连 3 都很难达到。
难以提高的指标为什么热电材料的 ZT 值这么难提高？这要从温差发电技能所依赖的物理事理——热电效应本身提及。
金属或者半导体的内部存在有一定数量的载流子（比如电子或者空穴）。而这些载流子的密度会随着温度的变革而涌现变革。如果物体的一端温度高，另一端温度低，就会在同一个物体中间涌现不同的载流子密度。
好比做饭的时候，炖着炖着，盐分就会从酱汁中进入到食品里一样，载流子的密度差异，也会使令载流子从密度高的地方向密度低的地方扩散。只要可以坚持物体两端的温差，就能使载流子持续扩散，从而形成稳定的电压。这便是温差发电的事理。
图 | 温差发电（来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
从中我们可以看出，温差发电的效率，取决于热电材料的三个主要的能力：
材料在有温度差的情形下产生电动势的能力——由塞贝克系数表示。塞贝克系数越高，相同的温差下产生的电动势就越高，意味着能够发出来的电就越多。
材料导电的能力——由电导率表示。电导率越高，电子在材料内部就可以越随意马虎地扩散。
材料导热的能力——由热导率表示。热导率越高，热量就可以更快速地从热端通报到冷端，从而让温差发电所依赖的温度差消逝，电动势也就随之消逝。
显而易见，对付热电材料来说，前两种能力是越强越好，而后一种能力则是越弱越好。热电优值系数 ZT，也便是这三个参数的凑集：塞贝克系数越高、电导率越高、热导率越低，ZT 值就越高，材料进行温差发电的效率也就越高。
因此，热电材料的研究，其关键便是如何提高材料的 ZT 值，也便是在实现高的塞贝克系数和电导率的同时，得到低的热导率。
然而，要想同时优化这三个参数，是一件十分困难的事情。由于这三种性子是相互关联的，提升一种性子，每每伴随着另一种、乃至两种性子的指标涌现削弱。例如，一样平常情形下，提升材料的塞贝克系数，就会降落其电导率。这种三个参数之间相互关联的性子，这使得热电材料的研发一贯进展缓慢。
图 | 不同种类热电材料 ZT 值的发展进程，横坐标为年份，纵坐标为 ZT 值。可以看出，经由多年的发展，热电材料的 ZT 值一贯难以打破 3 的大关。（来源：He & Tritt, 2017）
提升 ZT 值的关键然而，三种参数“一损俱损、一荣俱荣”的这种关系，也不是完备绝对的。这个“利益共同体”也有一个“叛徒”——热导率。更准确地说，是热导率的一部分。
材料的热导率包括两个部分，分别是电子热导率和声子热导率。个中，前者与电导率息息相关，是“利益共同体”的一分子。但声子热导率，却是决定热电材料性子的各种参数中，唯一一个对 ZT 值里其它所有的参数都没有影响的参数。
因此，提高 ZT 值的最主要的思路之一，便是在不影响材料电子热导率的情形下，通过降落声子热导率的办法来降落整体热导率。详细到材料的微不雅观层面，便是在不影响电子输运的条件下，通过一些分外的布局，来增强声子的散射，从而只降落材料的声子热导率，却不改变其它参数。
这便是维也纳工业大学团队完成了的事情。从 2013 年开始，经由多年的研究，他们创造了一种可以同时实现高电子热导率和低声子热导率的材料。他们用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料，实现了高达 5 到 6 的 ZT 值，让 ZT 值比现有最好水平翻了倍。
图 | 铁-钒-铝-钨合金材料
在常日情形下，这种由铁、钒、铝、钨四种元素组成的合金，其构造非常规则，例如，钒原子阁下一定只有铁原子，铝原子也一样，而两个相邻的同元素原子之间的间隔也总是一样。
然而，当科学家们把薄薄的一层这种材料，与硅材料基底相结合的时候，神奇的事情就涌现了。
只管这些原子仍旧坚持着原有的立方体的构造，但原子之间的相互位置却发生了剧烈的改变。以前该是一个钒原子涌现的位置，现在可能变成了一个铁原子或者铝原子；而一个铝原子阁下本来该是一个铁原子，现在可能还是一个铝原子，乃至是一个钒原子。而且，这种各个原子之间位置的改变，完备随机，毫无规律可循。
图 | 结合在硅表面的合金（来源：Hinterleitner et al., 2019）
图 | 大略的测试系统（来源：Hinterleitner et al., 2019）
这种有序和无序相结合的晶体构造，就让材料产生了独特的性子：
电子依然可以有自己的分外路径，在晶体里“自由”穿梭，使得电导率和电子热导率不受影响；但热量传导依赖的声子迁移却被不规则的构造阻隔，导致声子热导率大幅低落。这样一来，热端和冷真个温度差得以坚持，由此产生的电势差也就不会消逝。
科学家们也就实现了梦寐以求的热电材料电子热导率不变、声子热导率低落，从而大幅提升 ZT 值到 6 的目标。
更进一步，理论上，如果可以改变干系观点材料的拓扑构造，ZT 值达到 20 也将不再只是梦想。
令人愉快的潜在运用随着 ZT 值达到 5 到 6，乃至在将来达到更高的水平，许多曾经无法有效利用的废热、废冷也可能变成新的、清洁的能量来源。热电技能将从太空走向地面，很多全新的运用将得以解锁。
在发电领域，温差发电的效率和火力发电效率之间的差距将进一步缩小。ZT 值即是 6，就意味着已经靠近了地热发电的效率，而 20 将进一步达到燃煤机组的效率水平，温差发电成为一种全新的大规模发电技能或可期待。
在便携式电子产品领域，皮肤和衣服、外界之间的温差，已经足以为一些分外设计的腕表等小型设备供电了。随着 ZT 值的提升，未来将可以为更大功率的便携式消费电子产品、乃至是医疗设备供应电量。
图 | 一款用皮肤和外界的温差驱动的腕表已经上市。未来，这类产品的性能将进一步提高。（图片来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
更高的 ZT 值，也意味着废热利用技能将得到进一步发展。个中最范例的例子，便是利用汽车尾气与外界环境之间的温差进行发电。汽车行业对干系领域的研究早就开始了，高 ZT 值便意味着温差发电将真的有可能成为汽车的标配（如果汽柴油车还没有被电动汽车淘汰的话）。
图 | 利用汽车尾气废热进行发电的装置（来源：MIT TECHNOLOGY REVIEW）
而更加令人愉快的，是热电技能在物联网领域的运用。在即将到来的物联网时期，小巧、高效、免掩护、龟龄命的温差发电系统，将有望为许多传感器、通讯设备供应电源，让他们摆脱电缆的束缚。5G 供应旗子暗记，大数据进行统筹与剖析，热电技能供应能源，这些来自不同领域的创新技能将有可能结合在一起，彻底改变未来家庭生活和工业生产的面貌。
