2016/04/05
經濟部能源局
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撰文／林子晴 繪圖／意念文創
隨著極端氣候現象越演越烈，如何兼顧經濟發展與環境保護成為重要課題。能將廢熱轉化為電能以達節能減碳之效的熱電轉換技術，成為各國積極投入開發項目。而影響熱電轉換技術發展的重要關鍵之一，即為高性能熱電材料之研發。
化廢熱為電能的熱電轉換技術
早在19世紀初，德國物理學家席貝克（T. J. Seebeck）發現，利用銅（Cu）與鉍（Bi）2種不同金屬做為導體，相接合成封閉電路時，若2接點溫度不同，將產生電位差而形成電流，稱為「席貝克效應」（Seeback Effect），也就是現今熱電轉換技術之原理。由於熱電轉換技術之能量轉換，並不需要任何機械來驅動，故具有零污染排放、取用方便、安全可靠、低噪音、設備簡單等種種優點。然而，在1990年以前，受一般材料熱電效率低、模組製造成本高等因素影響，應用範圍多限於軍事、航太等特定用途。
如今，全球有超過60％的能源，以中低溫廢熱的型態，逸散至大氣層中。這樣的情況，不僅造成了能源的浪費，也使全球溫室效應的情形變本加劇。若能善加利用這些廢熱，將有節能減碳的雙重效果。因此，隨著世界各國日益重視節能減碳議題，對於熱電材料之研發，亦日趨積極。以期透過良好的熱電材料，提升熱電轉換效能，擴大其技術應用範圍於工業廢熱回收及民生等用途，進而達成節能減碳目標。
理想熱電材料要素：性能優異、儲量豐富、環境友好
熱電材料以熱電優值（thermoelectric figure of merit）ZT評估其性能，其公式包含：熱電勢（thermoelectric power or Seebeck coefficient）、絕對溫度、電導率（electrical conductivity）及熱傳導係數（thermal conductivity）等要素。
ZT=S2σT/κ
S：熱電勢
T：絕對溫度
σ：電導率
κ：熱傳導係數
由公式可知，可透過2種方式提升熱電材料ZT值，以得到高熱電轉換效率：一為提高功率因子（powerfactor），即公式中S2σ的部分；一為降低其熱傳導係數（κ）。然而，一般而言，當導電度增加時，熱傳導係數也隨之增加，成為研發理想熱電材料之挑戰。除此之外，熱電材料是否同時具備儲量豐富、環境友好等條件，亦為後續能否廣泛應用推展於工業及民生領域之關鍵。
突破現有熱電性能瓶頸之材料：硒化錫（SnSe）
現行最廣為使用於熱電產生器的材料為碲化鉛（PbTe）及其合金。然而，從資源儲量與環境友好角度檢視，由於碲的資源儲量稀少、鉛的環境相容性問題，使碲化鉛（PbTe）及其合金仍未完全符合理想熱電材料之要件。近期，熱電材料研究出現重大突破性成果：硒化錫（SnSe）不僅符合儲量豐富與環境友好要件，其熱導率比碲化鉛更低，亦更符合低熱傳導需求。此外，透過應用硒化錫的多電價帶（multiple electronic valence bands）特性，可克服原硒化錫材料於300至773K（K為絕對溫度，K=℃+273.15）溫度區間範圍內低ZT值之缺陷，大幅提升300至773K溫度區間範圍內之熱電性能。相關研究報告成果顯示，以摻雜電洞單晶硒化錫（hole-doped single-crystal SnSe）為熱電材料，其超高功率因子與熱電性能，可使理論熱電效率達16.7％，大幅高於其他熱電材料性能，使硒化錫成為兼具性能優異、儲量豐富、環境友好理想之熱電材料的可能新選擇。
熱電材料研發的重大突破，不啻為熱電轉換技術之發展，注入一道強心針。具環保、可靠等多種優點的熱電轉換技術之蓬勃發展，及其於工業製造及民生所需的實際應用，或將指日可待。
關鍵字：熱電轉換,硒化錫（SnSe）,溫差發電,廢熱