【科讯】热电发电新进展

▲第一作者：Weinan Zhou

通讯作者：Ken-ichi Uchida and Yuya Sakuraba

通讯地址：日本国立材料科学研究所

DOI：https://doi.org/10.1038/s41563-020-00884-2

研究背景

当温度梯度应用于包含两种不同导体的闭合电路时，会通过西贝克效应（Seebeck-effect，SE）产生电流。近期，使用西贝克效应的热电发电引起了相当大的兴趣，因为它能够直接将热量转换为电，而无需任何移动部件或化学介质。

全文速览

本文利用西贝克效应诱导电荷电流来驱动"横向"的热电生成。由于热转电电流的正交几何学，热电效应在能量收集和热传感应用中具有很大的潜力。本文发现，在由热电和磁性材料组成的闭路中，将西贝克效应人工杂化从而产生异常的霍尔效应，使横向热电生成具有与异常的Nernst效应类似的对称性。令人惊讶的是，西贝克效应驱动的横向热功率比异常效应驱动热功率大几个数量级，本文的实验使用Co₂MnGa/Si 混合材料清楚地证明了这一点。这种非常规方法可能是开发横向热电发电应用的突破口之一。

图文解析

▲图 1 |STTG（西贝克驱动的横向热电发电）的概念示意图

要点：

● SE （西贝克效应）的结构原理图：当两种具有不同西贝克系数的不同热电材料（粉红色和灰色）在两端以电气方式连接时，在温度梯度 （∇T） 下在闭合电路中会产生环路电荷电流（I），从而产生旋转指南针的磁场。（图1a）

● STTG 系统由两端的热电和磁性材料组成，以形成闭合回路（图1c）。

▲图 2 |STTG 的模型计算

▲图3|STTG 的实验演示示意图

要点：

● 用于演示STTG的样品结构和测量设置的示意图（图3a）：n 型、p 型或非掺杂的硅基板薄膜用作热电（磁性）材料。在测量过程中，磁场H级被放在垂直于样品平面的方向上。V 表示伏特计。

● 在这里，n型Si，p型Si，非掺杂Si或Bi₂Te₃均可用作热电材料。

▲图 4 |STTG在零场的实验演示结果

总结

本文已经证明了由于STTG导致的横向热电的大幅增强的情况。相比之下，要优化STTG的效率，就必须要考虑热电和磁性材料的热导率的影响。本文还推导出了STTG品质因数的表达式。尽管由于 Si 和未优化的 r 的高导热性，本文的原型器件显示的功率很小，但 STTG 不仅可以通过优化材料的运输特性和尺寸从而在 ANE 上做出大幅度的增强，还可以在品质因数上做出大幅度的增强。因此，STTG 将为基于大量热电和磁性材料研究而设计热电发生器提供极其有用的参考。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-00884-2

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