废热可以发电!MIT 物理学家发现拓扑半金属材料在强磁场中可以将热电转换效率提升 5 倍

科学
废热可以发电!MIT 物理学家发现拓扑半金属材料在强磁场中可以将热电转换效率提升 5 倍
麻省理工科技评论 2018年5月28日

2018年5月28日

麻省理工学院的科学家称:他们从理论上设计了一种新方法,这种方法的热电转换效率可达现有最好热电材料的 5 倍,最终的能量输出能力是之前的 2 倍。
科学
麻省理工学院的科学家称:他们从理论上设计了一种新方法,这种方法的热电转换效率可达现有最好热电材料的 5 倍,最终的能量输出能力是之前的 2 倍。

试想一下,如果汽车引擎的废热能有很大一部分转换为电能用来推进汽车、房屋散发的废热可以用来发电,那么这将是能源效率的一大飞跃,而实现这个飞跃,必须依靠能将热能转化为电能的热电材料。

60 年前,科学家就开始研究各种材料将热能转化为电能的效率。然而,直到今天,大多数材料的热电转换效率远远不能满足大规模应用的需求。如今,麻省理工学院的科学家在《科学·前沿》(Science Advances)上发文称:他们从理论上设计了一种新方法,这种方法的热电转换效率可达现有最好热电材料的 5 倍,最终的能量输出能力是之前的 2 倍。

文章第一作者,麻省理工学院电子研究实验室博士后 Brian Skinner 表示,如果该理论被验证有效,那么这将是热电材料领域的一场革命。汽车引擎废热和电站废热都可以被高效回收用来发电。Skinner 论文的共同作者包括麻省理工学院萨拉·彼得汉物理学系副教授付亮。


发现现有理论的漏洞

材料的热电能力,来源于其电子在不同温度下的不同活动模式。当热电材料的一边被加热时,电子速度加快,挣脱原子核的束缚,聚集到没被加热的一侧,从而在材料两端产生电压。目前的热电材料转换效率非常低下,部分原因在于,热能转化为电子动能的效率太低。大多数热电材料中,电子位于特定的能带,而量子力学决定,电子从所在能带跃迁到相邻能带,并前往材料的冷侧,非常困难。Skinner 和付亮决定研究一种拓扑半金属材料,而不是传统的半导体和绝缘体材料。拓扑半金属材料的优势在于,相邻能带之间没有壁垒,因此加热时,电子很容易在能带之间跃迁。

科学家之前认为,拓扑半金属材料的热电转换能力不会太出众,因为尽管加热时,电子很容易移动到冷侧,但是电子离开后留下的空穴也很容易移动到冷侧,带负电的电子和带正电的空穴相互抵消,总效果大打折扣。然而,Skinner 在阅读另一篇论文时发现,半导体处于强磁场之下时,会有奇特的事情发生——电子的移动路径发生了扭曲。研究团队由此想到:如果将拓扑半金属材料至于强磁场下,那么会发生什么事情?

两人进一步分析文献后发现,普林斯顿大学的一个研究团队在 2013 年将一种称为硒化锡铅的拓扑半金属材料置于 35 特斯拉(核磁共振仪的磁场强度不过 2-3 特斯拉)的强磁场下,结果观察到了热电效率的提高。两人基于普林斯顿大学的研究,从理论上建立了不同温度和磁场强度下材料的热电效率模型。他们发现,在强磁场下,电子和空穴的移动方向刚好相反——电子去冷侧,而空穴去热侧。因此,其他条件相同时,磁场越强,热电材料两端的电压越高。


强磁场的威力

根据理论模型,研究团队计算了硒化锡铅的 ZT 值,该值反映了材料的热电转换能力。目前最好的热电材料,ZT 值不过是 2,而硒化锡铅在 30 特斯拉的磁场下,ZT 值达到 10,是现有最好热电材料的 5 倍。如此好的结果,甚至使 2 人一时无法相信。根据理论计算,对于 ZT 值等于 10 的材料,在 230 摄氏度下和 30 特斯拉的强磁场下,可以把 18% 的热能转化为电能,而 ZT 值为 2 的材料,转换效率只有 8%。

研究团队承认,30 特斯拉的强磁场对于大多数应用场合确实不太可能,1-2 特斯拉的磁场强度才可能被用于电站和汽车上。不过,如果拓扑半金属材料非常纯净,那么对磁场强度的要求可能会下降。特别地,他们研究的硒化锡铅材料的纯度并未达到人类能制造出的最高纯度,因此该材料还有改进余地。具体来说,研究人员预期,目前世界上最好的拓扑半金属材料可以在 3 特斯拉的磁场下,将热电效率提高 20%-50%,这个程度的效率提升已然非常可观。

麻省理工学院团队和负责对理论进行实验验证的普林斯顿大学团队,已经对该方法申请了专利。该研究的支持方包括美国能源部固态太阳热能转换研究中心和美国能源部基础能源科学办公室。

麻省理工科技评论

From Tech to Deeptech