维也纳工业大学通过钨铁钒铝合金材料薄膜涂层,将温差发电的热电优值系数(ZT值)指标翻倍提升,有望在未来应用到发电、医疗、便携式电子设备、甚至物联网等领域。
温差发电是通过在热电材料两端施加温度差实现发电的一种方法。这种以热电材料为核心的热电转换技术可不依靠任何外力将“热”与“电”两种不同形态的能量直接转换,在发电、医疗、智能设备、军事、高科技等领域拥有极大的应用前景。然而,受限于过低的效率,热电技术的应用一直局限于温度测量、太空、军事、野外等少数特殊的领域。
衡量热电效率的关键性指标是热电材料的热电优值系数(ZT值),一般认为,ZT值达到或者超过4,这种技术才具有商用价值。然而,温差电技术研究从20世纪40年代研究至今,ZT值始终未能突破3。
奥地利维也纳工业大学鲍尔教授(Ernst Bauer)领衔的研究团队经过6年的研究实现了ZT值的突破。研究人员在硅芯片材料上覆盖一层由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料薄层,实现了高达5~6的热电优值系数,而之前最好的材料一般也只有大约2.5~2.8。相关研究成果发表在《自然》杂志上。
鲍尔介绍,这种由铁、钒、铝、钨四种元素组成的合金材料内部每种类型的原子,彼此间距离都是一样的,以立方体点阵式结构排列,形成一种相当规则的结构。然而将这种钨合金材料薄层附加到硅芯片材料上后,会发生奇妙的效果。
尽管每种原子的结构仍是立方体排列,但是不同类型原子的分布呈随机的不规则形态。这种规则和不规则的混合,使得材料的电阻很小,也就是导电性能很好;然而其不规则的晶格结构,阻碍了热力的传播。
鲍尔表示,这样的薄层的发电材料很节省空间,也很灵活,很适合作为感应器、小型电子设备的电源,将在“物联网”技术中有很大用处。“如果一个工厂需要大量感应器连接在一起(物联网的简单例子),将它们全部用电线连起来统一供电不现实。最好是这些感应器都自带小巧的热电发电设备。”