当前使用以煤炭为代表的化石燃料进行发电仍是我国主要的发电方式，然而化石燃料资源枯竭是人类可预见的未来之一，且煤炭等不可再生能源在使用过程中大部分以热的形式被浪费掉，还会产生大量温室气体导致气候变化，引发诸多自然灾害，使人类的生存环境受到威胁。为了应对能源短缺与环境恶化等问题，减少能源浪费、提高能源利用效率、避免全球气候进一步恶化成为人们的共识，无污染、无转动部件、可直接回收废热发电的固态热电材料逐渐引起研究人员的关注。
热电材料是将热能与电能相互转化的功能材料，不仅可将施加在材料上的温差转化为温差电动势，还可在为热电材料通电流时产生发热或制冷的效果。热电材料通过热电效应来实现能量转换，热电效应主要指泽贝克（Seebeck）效应、佩尔捷（Peltier）效应以及汤姆孙（Thomson）效应。
Seebeck效应是德国的物理学家T.J.Seebeck于1821年发现的首个将热能直接转化为电能的物理现象。T.J.Seebeck在实验中发现，将两种不同的金属材料相连接构成回路，如果将温差施加在不同的金属结点处，那么金属材料回路附近处的指南针将受到磁场影响发生旋转，Seebeck据此现象认为是由热生磁，但实际情况是由于两个结点处的温度不同，产生了温差，材料中的电荷载流子会根据温度梯度方向移动，并在端头处积累电荷，使电路中产生了温差电动势，且温差电动势随着温差的增大而增大。
Peltier效应是法国科学家J.Peltier于1834年发现的Seebeck效应的反效应，其为在电源与相连接的两种材料构成的回路中，当电源接通电流流过整个回路时，两种材料的一个连接处出现吸热、另一个连接出现处放热的物理现象。Lenz发现Peltier效应在回路中是可逆的，若电流方向不变时，两种材料的连接点处表现为吸热，那么当给回路中施加方向相反的电流时，两种材料的连接点处表现为放热。
Thomson效应是英国物理学家W.Thomson于1856年发现的物理现象，具体是将一种导体材料和电源连接成闭合回路，为导体材料施加一排梯度温度，当闭合电源使电流经过整个回路时，导体材料会产生吸热或放热的物理现象。当施加在导体材料上的温度变小的方向和回路中的电流方向相同时，导体材料表现为吸热，当施加在导体材料上的温度变大的方向和回路中的电流方向相同时，导体材料表现为放热。由于Thomson效应在热电转换过程中贡献很小，因而在分析计算热电材料的性能时通常不予考虑。
依据热电效应设计、合成热电材料并制备得到的热电器件具有体积小、无污染、免维护、高可靠性、长寿命等优点，不仅有望有效解决能源的浪费问题，在热电发电机、热电制冷器、温度传感等方面也具有十分重要的应用前景。
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供稿 | 新技术中心 张鹏宇
编辑 |王博
