前沿透视：Nature Materials 综述 - 热电制冷材料

来源：今日新材料

在1834年，Jean Peltier发现电流通过两种不同金属的交界处时，会产生加热或冷却效应。珀耳帖效应的原理：当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的交界处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。但是由于缺乏高性能热电材料，早期设计热电制冷器的尝试都不成功。直到1950年代，具有半导体性质的Bi2Te3合金被发现之后，热电性能才实现了显著的提升。热电制冷具有高可靠性、环境友好、无噪声、小尺寸、反应迅速、以及精密控温等多种优势。

然而，基于Bi2Te3合金的热电制冷器件的性能与价格都无法与蒸汽压缩式制冷器相媲美。因此，针对热电制冷材料的相关研究不断减少。

近日，美国休斯顿大学任志锋教授（通讯作者）等人报道了一篇关于热电制冷材料的综述。首先，作者介绍了热电制冷性能的基本概念。随后，作者总结了高性能热电制冷材料，并且详细讨论了Bi1-xSbx、Bi2Te3合金和Mg3Bi2-xSbx材料的研究。此外，作者还讨论探索高性能新型制冷材料的策略。最后，作者讨论了热电制冷材料和技术的前景与挑战。综上所述，在过去20年里，仅有很少的研究工作集中于热电制冷材料，因此该领域的未来发展急需更加集中的研究工作。虽然报道的Bi2Te3合金的室温zT值有所提高，但是其低温性能常被忽略，因此无法评估其冷却性能。目前而言，进一步提升Bi2Te3合金的热电优值具有非常大的挑战性，因此发现具有更高zT值的新型制冷材料至关重要。虽然发现的n-型Mg3Bi2-xSbx材料很有前景，但是其平均zT仍与商用n-型Bi2Te3-xSex相似，仍需进一步提高性能。更重要的是，由于决定热电技术应用的重要指标是热电制冷系统的效率，因此改善系统架构与开发新型高性能制冷材料同等重要。降低热阻并提高热交换组件的性能对于提高热电制冷系统的COP值极其重要。同时，热电制冷系统的相对较高的成本也限制了其广泛的应用，因此降低相关部件与材料的成本具有重要的经济意义。随着材料、设备和系统的协同发展，预计热电器件的COP值的提高和成本的降低都有望实现从而推动热电制冷技术的发展。

文献链接：
Thermoelectric cooling materials，Nature Materials，2020
https://doi.org/10.1038/s41563-020-00852-w

原文链接：
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5ODcyMzk0Mg==&mid=2651091351&idx=4&sn=947a9e206988de231bebc5fcab403349&chksm=bd36b99e8a413088f3b563a1e2fd71107403090a3cf8a141fdcfe0c88da9f40eb56f00c3fcf9&mpshare=1&scene=1&srcid=1217tTtXumNeJMefYy8Sj1bq&sharer_sharetime=1608169347077&sharer_shareid=bd42e2ca4eac38ac75396775af17670f&exportkey=Aaecl98RC%2B2UaDs4MMQsBng%3D&pass_ticket=XHkRoLSiT3jp0A9dj4q1IG2qGj%2FmvTaK93Uym3s7BDlo7YkwjMTRKWUM9FFbaKNZ&wx_header=0#rd