[科普中国]-硼温差电堆

温差电是一种差电现象（thermoelectric phenomena），两种不同导体连接成闭合回路，如果两个接点处有温度差，在回路中将产生所谓温差电动势。构成两接点的材料中，合金类占较大比例，但也有半导体或者化合物，如硼化物构成的硼温差电堆。硼温差电堆可将热能直接转化为电能，即使在只有微小温差存在的情况下也能应用，是适用范围很广的绿色环保型能源。

简介在 21 世纪全球环境和能源条件恶化、燃料电池又难以进入实际应用的情况下，温差发电技术更成为引人注目的研究方向1。利用热电效应与化合物热电材料构成的硼温差电堆逐渐获得更多关注。热电效应是电能与热能之间的转换，它是通过热电转换材料得以实现的，如合金类、半导体类、化合物类热电材料。检定热电转换材料的标志，就在于它的三个基本效应，即：赛贝克（Seebeck）效应、珀耳帖（Peliter）效应和汤姆森（Thomson）效应。

硼温差电堆原理温差电效应Seebeck 效应是一种温差电效应，它是指在材料的两端外加一定的温度差时，相应材料的两端就会有产生一定的电动势。Peltier 效应是 Seebeck效应的逆效应，是指在材料中通以一定方向的电流时，相应在材料的两端分别会产生吸放热现象，改变电流方向，吸热和放热端也随之反向。热电现象本身是可逆的，半导体温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面，互相可逆。对于同一个 PN 结，若施加温差则可用来发电，若对其通电，则可用于在一端致冷。Thomson 效应则是指若电流流过有温度梯度的导体时，在导体和周围环境之间将会进行能量交换。因此，Seebeck效应恰恰就是化合物类硼温差发电技术的基本原理。

赛贝克（Seebeck）效应即在导体两端存在温差时，热端电子的能量和速度高于冷端电子的能量和速度，在 N 型半导体中，除了电子的能量及速度差外，热端的电子浓度还高于冷端的电子浓度，其结果就引起热端电子向冷端扩散，冷端积累负电荷，而热端就剩下未被补偿的正电荷，建立了由热端指向冷端的电场，这个电场阻止电子流继续由热端向冷端扩散，当扩散与电场的作用相等时，就达到了统计动平衡，这时就在导体或半导体两端形成电势差。

塞贝克电压ΔV与热冷两端的温度差ΔT 成正比，即2：

式中，α为赛贝克系数，其单位为V/K或μV/K。

温差材料种类常用的温差热电材料中，合金类占很大比例，如铜-康铜（60%Cu， 40%Ni），适用于-200~400℃；镍铬-镍铝，适用于0~1000℃。但也有半导体合金，如碲化铋，硒化铋。以及化合物，如氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。

其中硼化物主要指硼与金属、某些非金属（如碳）形成的二元化合物。除了锌（Zn）、镉（Cd）、汞（Hg）、镓（Ga）、铟（In）、铊（Tl）、锗（Ge）、锡（Sn）、铅（Pb）、铋（Bi）以外，其他金属都能形成硼化物。它们都是硬度和熔点很高的晶体，化学性质稳定，热的浓硝酸也不能将它溶解，可由元素直接化合，或用活泼金属还原氧化物制取，用作温差材料、耐火、研磨和超导材料。

应用情况温差发电技术研究始于 20 世纪 40 年代，于 20 世纪 60 年代达到高峰，并成功地在航天器上实现了长时间发电。当时美国能源部的空间与防御动力系统办公室给出鉴定称，“温差发电已被证明为性能可靠、维修少、可在极端恶劣环境下长时间工作的动力技术”。温差发电技术利用热 - 电转换材料直接将热能转化为电能，是一种全固态能量转换方式，无需化学反应或流体介质，因而在发电过程中具有无噪音、无磨损、无介质泄漏、体积小、重量轻、移动方便、使用寿命长等优点，在军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、微电子等特殊应用领域具有无可替代的地位。它甚至能利用人的体热和周围的环境温度，为各种便携式设备供电。在 21 世纪全球环境和能源条件恶化、燃料电池又难以进入实际应用的情况下，温差发电技术特别是利用热电效应与化合物热电材料构成的硼温差电堆逐渐获得更多关注，成为引人注目的研究方向3。

本词条内容贡献者为:

张静 - 副教授 - 西南大学