上海硅酸鹽所高效熱電材料和器件研究獲進展

　　中國作為世界上最大能源消費國，深受資源短缺和資源利用效率低等問題的困擾，迫切需要新的能源技術來緩解化石燃料過度消耗及其造成的環境破壞、氣候惡化等一系列問題。以汽車、鋼鐵、石化等支柱型產業為代表的傳統制造業消耗大量化石能源同時排放大量的工業余廢熱。目前我國的總體能源利用效率為33%左右，比發達國家低約10個百分點，其中50%的工業耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。因此，發展工業余廢熱的高效利用技術，對節能減排、保護環境、進一步提升我國制造業在國際市場上的競爭力和地位具有重要意義。

　　熱電轉換技術是一種環境友好型的能量轉換技術，可利用熱電材料將熱能與電能直接進行相互轉換，具有系統體積小、可靠性高、能夠有效利用低密度能量等特點，特別適合于低品位廢熱的回收利用。美國、德國、日本等發達國家在近年來持續進行熱電轉換技術的研發和推廣應用。在科技部、國家自然科學基金等國家和地方科技計劃的資助下，我國的熱電材料與器件研究在過去十余年也取得了快速發展，有力推動了熱電轉換技術的工業應用。

　　近5年來，中國科學院上海硅酸鹽研究所熱電材料與器件課題組在高效熱電材料和器件研究方面取得系列進展，獲得了一系列具有自主知識產權的研究成果，為熱電轉換技術的應用奠定了扎實的基礎。

　　在熱電材料研究方面，提出利用離子導體兩套天然亞晶格點陣調控熱電輸運的研究思想，發現液態亞點陣的“橫波阻尼效應”可使材料定容熱容低于杜隆-珀替值，提出并發現系列“聲子液體”新概念熱電材料，其熱電優值ZT達1.5-2.1；發現特殊籠狀結構材料中多種填充原子共存可顯著降低晶格熱導率的寬頻聲子散射效應，熱電優值ZT提高至1.7；發展利用高通量理論計算結合實驗研究快速發現和設計高性能熱電材料的研究方法，提出贗立方結構設計思想快速篩選非立方結構高性能熱電材料，并成功應用于Zintl相和類金剛石結構熱電材料的篩選和優化。

　　在熱電器件研究方面，成功開發出兩類熱電發電模塊。一是針對200oC-300oC低溫熱源的Bi2Te3基熱電發電模塊，能量轉換效率達6%、發電功率密度達0.35W/cm2。二是針對500 oC -600 oC中溫熱源的CoSb3基方鈷礦熱電發電模塊，能量轉換效率達8.2％、發電功率密度約1.1 W/cm2。基于該Bi2Te3和方鈷礦的熱電發電模塊，自主設計開發了雙級熱電發電器件，轉換效率達10.4%。此外，還研制中高溫半赫斯勒合金（600 oC -700 oC）和SiGe合金（700 oC -1000 oC）熱電發電器件，轉換效率分別達6.2%和7%。上海硅酸鹽所在2016年國際熱電大會上成功展示了這些高效熱電器件，吸引了國內外多家公司的關注，目前正進行市場應用的洽談和推廣。

　　上述相關研究結果發表于Nature Materials (2012)、Journal of the American Chemical Society（2011）、Advanced Materials（2013、2014、2015）等期刊；并受邀請在Nature Materials（2016）期刊介紹熱電材料與器件在中國的快速發展和重要進展、在International Materials Reviews 期刊綜述近10余年來熱電材料研究領域的重大發展、在Energy Storage Materials 期刊綜述Cu基熱電材料的研究進展、在Advanced Engineering Materials 期刊綜述熱電發電器件的重要研究進展。

　　研究工作得到了國家基礎研究“973”項目、國家自然科學基金、上海市科委、中科院等的資助和支持。

圖1. 熱電材料性能優值（zT）隨年代的發展。

圖2. 方鈷礦基籠狀化合物熱電發電器件。