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提升熱電轉換技術效率的材料新選擇:硒化錫(SnSe)

2016/04/05 經濟部能源局 點閱人次: 540

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撰文/林子晴 繪圖/意念文創

隨著極端氣候現象越演越烈,如何兼顧經濟發展與環境保護成為重要課題。能將廢熱轉化為電能以達節能減碳之效的熱電轉換技術,成為各國積極投入開發項目。而影響熱電轉換技術發展的重要關鍵之一,即為高性能熱電材料之研發。

化廢熱為電能的熱電轉換技術

早在19世紀初,德國物理學家席貝克(T. J. Seebeck)發現,利用銅(Cu)與鉍(Bi)2種不同金屬做為導體,相接合成封閉電路時,若2接點溫度不同,將產生電位差而形成電流,稱為「席貝克效應」(Seeback Effect),也就是現今熱電轉換技術之原理。由於熱電轉換技術之能量轉換,並不需要任何機械來驅動,故具有零污染排放、取用方便、安全可靠、低噪音、設備簡單等種種優點。然而,在1990年以前,受一般材料熱電效率低、模組製造成本高等因素影響,應用範圍多限於軍事、航太等特定用途。

如今,全球有超過60%的能源,以中低溫廢熱的型態,逸散至大氣層中。這樣的情況,不僅造成了能源的浪費,也使全球溫室效應的情形變本加劇。若能善加利用這些廢熱,將有節能減碳的雙重效果。因此,隨著世界各國日益重視節能減碳議題,對於熱電材料之研發,亦日趨積極。以期透過良好的熱電材料,提升熱電轉換效能,擴大其技術應用範圍於工業廢熱回收及民生等用途,進而達成節能減碳目標。

理想熱電材料要素:性能優異、儲量豐富、環境友好

熱電材料以熱電優值(thermoelectric figure of merit)ZT評估其性能,其公式包含:熱電勢(thermoelectric power or Seebeck coefficient)、絕對溫度、電導率(electrical conductivity)及熱傳導係數(thermal conductivity)等要素。

ZT=S2σT/κ
S:熱電勢
T:絕對溫度
σ:電導率
κ:熱傳導係數

由公式可知,可透過2種方式提升熱電材料ZT值,以得到高熱電轉換效率:一為提高功率因子(powerfactor),即公式中S2σ的部分;一為降低其熱傳導係數(κ)。然而,一般而言,當導電度增加時,熱傳導係數也隨之增加,成為研發理想熱電材料之挑戰。除此之外,熱電材料是否同時具備儲量豐富、環境友好等條件,亦為後續能否廣泛應用推展於工業及民生領域之關鍵。

突破現有熱電性能瓶頸之材料:硒化錫(SnSe)

現行最廣為使用於熱電產生器的材料為碲化鉛(PbTe)及其合金。然而,從資源儲量與環境友好角度檢視,由於碲的資源儲量稀少、鉛的環境相容性問題,使碲化鉛(PbTe)及其合金仍未完全符合理想熱電材料之要件。近期,熱電材料研究出現重大突破性成果:硒化錫(SnSe)不僅符合儲量豐富與環境友好要件,其熱導率比碲化鉛更低,亦更符合低熱傳導需求。此外,透過應用硒化錫的多電價帶(multiple electronic valence bands)特性,可克服原硒化錫材料於300至773K(K為絕對溫度,K=℃+273.15)溫度區間範圍內低ZT值之缺陷,大幅提升300至773K溫度區間範圍內之熱電性能。相關研究報告成果顯示,以摻雜電洞單晶硒化錫(hole-doped single-crystal SnSe)為熱電材料,其超高功率因子與熱電性能,可使理論熱電效率達16.7%,大幅高於其他熱電材料性能,使硒化錫成為兼具性能優異、儲量豐富、環境友好理想之熱電材料的可能新選擇。

熱電材料研發的重大突破,不啻為熱電轉換技術之發展,注入一道強心針。具環保、可靠等多種優點的熱電轉換技術之蓬勃發展,及其於工業製造及民生所需的實際應用,或將指日可待。


關鍵字:熱電轉換,硒化錫(SnSe),溫差發電,廢熱

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