在全球面临能源转型之际，再生能源的发展大多着重在太阳能、风力、水力、生质燃料等。然而近年，随着奈米科技的发展，可将废热转为电力的热电材料也逐渐崭露头角。中央研究院物理研究所研究员陈洋元踏足热电材料的研究已有十几年，在他眼中，热电材料极具能源发展潜力。
热电转换再兴起
身处能源转型的关键时刻，我们不由得担心，再生能源真的足以补上电力缺口吗？还有没有其他新兴的发电方法呢？有的！用废热发电，听起来很不错吧？毕竟在日常生活中，我们也受够废热了。汽车、冷气等机械废热，加上太阳的辐射热等，这些烦人的废热如果能拿来发电，实在是个好主意。
热电材料就是热生电的关键，它能将（没用的）热转化成（好用的）电。近年来，热电材料逐渐发展起来，中研院物理所研究员陈洋元从 2006 年起开始研究热电材料，他说：“热电材料的发电效率已经有很大的进展！”在不久的未来，热电材料的应用将愈来愈广泛，成为能源转型时代的重要一角。
热电材料的历史要回溯到 200 年前，德国科学家西贝克（Thomas Seebeck）在 1821 年发现，材料两端的温度差会形成电位差，称为“西贝克效应”。也就是说，同一种材料只要两端温度不同，两端之间就会产生电压；反之，在材料两端赋予电压时，两端之间就会产生温度差。科学家因此定义了西贝克系数 S = ∆V⁄∆T，表示同一种材料下，温度差愈大，输出电压越大，“换句话说，一个有温差的材料，等于可以视为一个干电池。”陈洋元解释。这便是热电材料的基本物理机制。
▲ 热电材料的基本特性。同一个热电材料，若给予两端温度差可以产生电压（西贝克效应）；若给予两端电压则会造成温度差（皮尔特效应）。（Source：陈洋元，下同）
找出最优质的热电材料
由于每一度温差产生的电压就是“西贝克系数”，直观来说，西贝克系数愈大的材料，在同样的温差下输出的电压愈大，是愈好的热电材料。不过陈洋元补充说，热电材料除了西贝克系数要高之外，“导电性也要好，除此之外，导热率不能太好，否则温差一下子就热平衡掉了。”考量各种条件之后，科学家订出了热电材料的优质系数 ZT 值=（δS2⁄κ）T，其中 σ 是导电系数、S 是西贝克系数，κ 是导热率，T 是绝对温度。
导电性好、西贝克系数高，而且导热率要低。这是优质热电材料的三大条件。
于是，研究热电材料的科学家从几十年前开始，便朝着符合这些条件的方向努力。陈洋元说：“金属的导热都太好了，并不适合当作热电材料。目前主要的做法是用各种半导体材料，搭配不同的掺杂元素及比例，来找出最佳化的 ZT 值。”
▲ 半导体材料是良好的热电材料，依据掺杂的元素种类，可分为 n 型（电流载子为电子，带负电）与 p 型（电流载子为电洞，带正电），制作热电材料时，会将 n、p 型材料组合成上图“热电偶”的形式。
全世界各研究团队多年下来，针对各种材料组合及掺杂比例，找出了不少值得关注的热电材料候选者（如下表）。“你可以从中发现，多数的热电材料都是温度愈高，ZT 值愈高，在 600°C~700°C 的高温会表现得很好。”陈洋元笑说：“只有一种材料适合在室温运作，就是铋-锑-碲（BiSbTe），目前为止无人能出其右。而且科学家大概 50 年前就发现它了，它保持世界纪录至今 50 年。”
▲ 各种 p 型（左）、n 型（右）材料的 ZT 值与温度关系图。可以看到接近室温（27°C，约300K）表现最好的材料为 p 型的 BiSbTe（蓝色折线）。
控制晶格和缺陷，不让热传过去！
找到优秀的材料搭配和比例还不够！要提升热电效果，还有一个重要因子：减低热电材料的导热率。微观来看，就是精细地调控材料晶格或内部缺陷。
晶格是材料的骨架，热的本质是晶格振动，而热传导的本质便是晶格里的原子以振动方式将能量传递给邻近原子。因此，阻碍能量传递的方式，就是调控材料内原子的排列，以期达到导热差、导电好的最终目的。
理想上可以利用“超晶格”，当不同种类的原子像三明治一般层层交替堆叠时，界面的原子与邻近原子尺寸、重量都不同，这会造成晶格排列不顺畅（晶格不匹配），彼此的振动能量也不易传递，大部分都会反弹回来，也就达到“导热不佳”的效果了。
种类不同、尺寸与重量皆不同的原子间，由于晶格不匹配，振动比较不易传递，导热率因此降低。
陈洋元进一步解释，超晶格的每一层材料厚度、比例都必须严格控制，“因为我们只希望导热率降低，但不希望影响到电子的移动。”也因此，这项制程“非常困难，需要的设备也很昂贵。超晶格结构如果要做到一张纸那么厚，可能必须镀膜上万次，成本很高，东西也做不大。换言之，超晶格在学理上可行，但实际应用上有困难。”
“我们可以选择退而求其次的做法”，陈洋元说。例如在材料里刻意掺杂一些杂质，或制造晶格的空缺，包括：点缺陷、空位、差排、叠差等。以这些缺陷的数量来控制材料特性，在尽量不影响导电的状况下降低热传导率，“这是比较简单可行的做法”。
▲ 图为“叠差”缺陷。对于热电材料来说，为了降低导热率，理想上可利用“叠差”来调控材料内部“缺陷”，最终目的是导热变差，却能保有良好的导电率。
热电材料自有用武之地
热电材料在实际应用上，发展得比其他再生能源慢，主要原因还是在发电效率不够好。目前在室温下最好的热电材料，转换效率约 3~4%，相较之下，太阳能发电目前的转换效率约在 15~20%。这也是热电材料在能源发展上较少被提及的主因。
“不过其实热电材料在 600°C~700°C 的高温下，转换效率可以超过 10%”，陈洋元说。因此，几年前美国一度打算将热电材料用在汽车的废热回收，毕竟燃油引擎的油电转换效率大约在 30% 左右。“剩下的 70% 都变成废热排出去了。如果能把其中 10% 的废热转换成电能，等于是引擎效率的一大跃进。”不过后来，随着电动车逐渐成为主流发展方向，这项应用也就失去关注了。
热电材料就这样无英雄用武之地了吗？并不是。其实早在 30~40 年前，它就已经应用在太空科技上了。太空船或卫星发射到太空中之后，需要电能维持运作，除了太阳能以外，热电也是重要的电力来源。陈洋元以航海家一号举例，“它朝着太阳系外离去，过程中太阳光会愈来愈微弱，因此不能完全仰赖太阳能做为电力来源。”因此，航海家一号就有使用热电技术，其中热的来源是铀、钚等放射性材料，它们在衰变过程会放热，与外太空趋近绝对零度的环境产生温差，借此发电。“这些放射性材料的半衰期是几十亿年，对我们来说像是万年之毒，但对太空船来说，却像是永恒的电力来源。”陈洋元说。
热电转换效率不佳，但对于缺乏电力来源、外界环境温度极低，又不怕放射性污染的太空科技来说，是很好的发电选择。
此外，热电材料不只能把热转换成电，也能反过来，利用材料两端的电压差回推来产生温度差。也就是说热电材料的应用不限于发电，它也能做为冷气、冰箱等使用的温度计；或是在热电材料上外加电压，产生电流，造成材料两端的温度差，做为冰箱、电脑 CPU 的致冷元件。
陈洋元也在近两年，研究开发出薄型热电芯片，里面的结构是 128 对微小的 p 型、n 型半导体柱，就像 128 个小小的干电池串联一样，能把热电效应放大百倍。陈洋元解释，虽然热电效率不高，无法用在大型工厂等需要巨大电量的状况，但这样的芯片可以用来制作“热电自充随身电源”，应用在手机或电子手表等随身穿戴式电子装置上，这类装置需要的电量不高，但可能随时有充电需求。“想像一下这样的场景，你走在路上发现手机没电了，于是拿出热电自充随身电源，利用自身体温与室温的温差，帮手机紧急充电。”
▲ 薄型热电芯片内包含了 128 对 p 型、n 型半导体，具有轻巧的外形。
随着互联网的发展，基地台热点愈来愈多，这也让陈洋元对于热电材料的应用潜力更加乐观。“在某些偏远地带，例如玉山的基地台，电力供给或许就不需要建置发电站，利用热电材料（透过温差发电的特性），只要送一桶瓦斯去就好，方便多了！”或者，热电材料也能与太阳能互补，“因为太阳能发电使用的是太阳光，它的辐射热并没有被利用到，这一点可以用热电材料来加强补足。”陈洋元说。
另外，陈洋元也正在与厂商合作，希望能制作中型、大型的发电机。陈洋元说：“一个热电芯片大约能发 20 瓦的电，把 25 个芯片合起来，就能有 500 瓦。”尽管成本比一般发电机高，但热电发电机具有轻巧、无噪音等优点，“我相信它在未来是一个机会”。
热电材料的研究还在如火如荼的进展着，而陈洋元对它的未来也抱持着乐观的态度。回头看看热电材料的优质系数 ZT 值，“只要我们想办法降低导热率，它理论上还能再拉高”，陈洋元说：“现在室温下的 ZT 值最高是 1 点多，在不久的未来，我们很有可能就突破它了”
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