废热转化为绿色能源：新方法提高热电发电机效率
宾夕法尼亚州立大学科学家领导的研究小组发现，能够将废热转化为清洁能源的热电发电机很快就会像太阳能等其他可再生能源一样高效。研究人员利用高熵材料，制造出比以前更高效的热电材料，他们表示，这一进步甚至可能有助于实现长距离太空探索。他们的研究成果发表在《焦耳》杂志上。
热电设备（包括为 NASA 的太空探索飞行器提供能量的放射性同位素热电发电机）可以将温差转化为电能。当它们被放置在热源附近时（例如发电厂的蒸汽管道），电荷载体（例如电子）会从热侧移动到冷侧，从而产生电流。
目前市面上的器件效率为 5% 至 6%。研究人员利用新的制造方法制造出了一个转换效率达到 15% 的原型。研究人员表示，效率的提高意味着现有器件可以缩小 200%，但仍然能产生相同的能量，或者相同尺寸的器件可以产生 200% 的能量。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系研究教授、这项研究的合著者贝德·普德尔 (Bed Poudel) 表示：“这些发现为我们改进热电设备以提高效率指明了新方向。我们的工作为创造非常令人兴奋的热电材料提供了一条新途径，并可能在未来的材料开发中取得更大的进步。”
宾夕法尼亚州立大学团队之前曾使用半赫斯勒合金（一种特殊的材料，擅长在中高温下产生热电能）来提高设备性能。这些材料通常是由三种金属元素制成的合金，有时会添加掺杂剂或少量其他材料来提高性能。
在这项新研究中，科学家们转向了高熵半赫斯勒材料。这些合金由至少五种主要元素组成，具有单晶结构，具有与半赫斯勒材料相同的性能，但性能有所增强。
宾夕法尼亚州立大学副教授、该研究的共同通讯作者李文杰说：“我们在这项研究中所做的是成功地将高熵工程整合到半 Heusler 系统中。”
“对于传统化合物，你可能有 100 种不同的化学成分。但当我们使用高熵概念时，我们可以制造数千种化学成分来改变材料特性。”
科学家表示，使用原子数量更多的高熵材料意味着晶体结构更加无序，电荷载体需要更长的时间才能穿过材料，从而降低其热导率。选择额外的原子是为了使材料保持更高的功率因数，功率因数是衡量电气系统将电能转化为有用功的效率的指标。
宾夕法尼亚州立大学博士后学者、这项研究的主要作者 Subrata Ghosh 说：“在这个概念中，我们可以同时保持高功率因数并获得低热导率，以最大限度地提高性能系数，这是衡量材料有效性的标准。”
“高熵工程可以与传统方法相结合，进一步提高任何类别热电材料的品质因数。”
这种新型热电材料在温度变化达到 1,060 开尔文（约合 1,448 华氏度）时，性能系数达到了创纪录的 1.50。科学家表示，这比目前的尖端材料提高了 50%。
李说：“高熵材料经常用于喷气发动机或高超音速飞行器等高温耐火应用，但这是它们首次用于开发卓越的半赫斯勒热电系统。”
这项研究对在工业环境中制造更高效的废热回收设备具有重要意义。回收这些废热并利用其发电可以减少化石燃料的消耗。科学家们表示，由于热电设备没有运动部件，也不会产生化学反应或排放，因此它们是一种很有前途的清洁能源。
热电装置类似于一张有两条腿的桌子——一条腿由 p 型半导体材料制成，另一条腿由 n 型半导体材料制成。目前的研究仅适用于 p型材料，科学家表示，进一步研究将其应用于 n 型材料可能会进一步提高效率。
普德尔说：“如果我们能够将其应用到更广泛的热电材料中，并继续获得良好的品质因数，我们就能真正将转换效率推向 20% 或更高。”
“这将与太阳能或其他固态发电技术非常具有竞争力。这是令人兴奋的部分——看看这将为未来的材料开发带来什么。”
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