现为国立阳明交通大学材料科学与工程学系的吴欣洁教授 ， 是今年（2021）国内杰出女科学家第十四届新秀奖得主 ， 近年来专注研究绿色能源的开发与应用 ， 从热力学探讨至热电材料 。 其实 ， 吴教授在大学时主修的是化工 ， 后来转至研究材料领域 。 吴欣洁教授说：「我当时想研究绿色能源 ， 甚至有点天马行空地想找出完全环保的材料来发电 ， 因为希望作对世界有意义的事情 。 」
因此 ， 吴欣洁教授的实验室称作「高性能热电材料与绿色能源实验室」 ， 那热电材料到底是什么呢？基本上热电材料是以半导体材料为主 ， 可以让「热」和「电」互相转换 ， 目前「碲化铋（Bi2Te3）」与「碲化铅（PbTe）」是最常用的两种热电材料 。 而热电材料究竟是怎么做到不同能量形式的转换呢？
遇上温度差 ， DoReMeSo～产生电流
首先 ， 热电材料是如何发电的 ， 如同吴教授实验室网站的第一行字「Where is a Delta-T there is an Electricity（哪里有温度差 ， 哪里就有电）」 。 关键就在——「温差」 ， 我们将Ｐ型和Ｎ型半导体排列成回路 ， 再于两端施加不同温度 ， 半导体上的电子就会往低温处跑 ， 电子的浓度不同而形成了电位差 ， 便产生电流 ， 就像瀑布会由高处往低处流 ， 这便是所谓的塞贝克效应（Seebeck effect） ， 例如太空探测器便是在核反应器周围贴上热电组件 ， 且热电材料为全固态 ， 相当安全 ， 常用的材料系统为碲化铅 (PbTe) 。
那如果我们把发电的原理反过来 ， 将电流通给它 ， 也可以让半导体电子往同一端跑 ， 电子流动的同时也会带走热 ， 进而产生温差 ， 达到致冷的效果 ， 称为皮尔特效应（Peltier effect） 。 这在民生用品上较为常见 ， 像是有些红酒柜便是利用热电致冷的原理 ， 因此不需要压缩机 ， 体积也可以缩小许多 ， 常用的材料系统为碲化铅（PbTe）为碲化铋（Bi2Te3） 。
茫茫材料海中能够遇见你
那我们理解到温差能够产生电流后 ， 就从此过着幸福快乐的日子了吗？当然没有 ， 有句话说：「理想很丰满 ， 现实却很骨感 。 」
而热电材料所面临的现实就是 ， 大家最关心的「转换效率」 ， 而能够代表热电材料转换效率的数值称为「ZT值」 ， ZT值若大于 1 ， 表示转换效率有机会大于 10％ 。 「如果我们想找到 ZT值高的材料 ， 就要它的导热差 ， 但导电好 ， 目前多锁定在半导体材料 。 」吴欣洁解释 。 除此之外 ， 依据塞贝克效应 ， 会在材料的两端施予温差 ， 并且期望未来能够规模化生产 ， 因此必须是具稳定性的材料 。 且希望热电材料能够是一种绿色能源 ， 所以也不能含有会污染环境的成分 。 总而言之 ， 细数这些考虑及条件后 ， 发现要找到适合的热电材料简直比找到灵魂伴侣还难！
吴欣洁笑着说：「所以就像找伴侣一样 ， 先确定你的首要条件 ， 我们做的是绿色能源 ， 所以希望能从环境友善的材料出发 。 」半导体材料通常是一个母元素再参杂其他微量元素 ， 比如常用的碲化铅（PbTe）之中的铅 Pb对环境有污染性 ， 寻找其他可替代的发电用无铅热电材料 ， 也是目前迫切之议题 。
删去不符合首要条件的元素后 ， 接着要开始寻找适合的材料比例 ， 吴教授的实验室采用的方法是「相图（phase diagram）」 ， 它就像是材料界中的 google map ， 相图可以告诉我们对这个材料而言 ， 最好的组成配比是什么 ， 哪个区间的 ZT值可能最高 ， 哪里的状态最稳定 。 然而 ， 要制作出一张相图需要耗费的时间与人力成本十分可观 ， 但相图数据库的累积却对未来材料科学的发展有很大的帮助 ， 因此吴欣洁也希望 ， 之后可以和人工智能结合 ， 加速数据的分析以及材料系统的研究 。
基本的相图可以告诉我们在不同的温度与压力时 ， 材料的状态变化 。 本图为水的相图 。 文中的相图会再融入不同材料混合后的状态 。
用热发电行不行？热电材料的未来发展
吴欣洁也提及 ， 热电材料的研究需要跨领域的专业 ， 例如化工、物理、电机、制成等 ， 国内在 2019年成立了国内热电学会 ， 希望能够推广热电相关学术研究在国内的普及 ， 提升基础研究与产业界的交流 。
关于热电材料未来的发展 ， 吴教授表示 ， 未来若能将环境中大量的废热回收 ， 就能大幅度减缓温室效应及能源耗竭的问题 。 在民生用途上 ， 或许能够在穿戴式设备安装热电组件 ， 利用人体体温及环境的温差来发电 。
利用热电材料制作的穿戴式智能恒温贴片 。
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