塞贝克系数/电阻测量系统助力Fe-Al-Si系热电模块研究，为物联网硬件供电提供新材料！

发布日期：2021-03-16

导读：当今，化石能源短缺和环境污染问题凸显，能源的多元化和高效多级利用成为解决能源与环境问题的一个重要途径。作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术热电转换技术受到学术界和工业界的广泛关注。热电转换技术是利用材料的塞贝克效应与帕尔贴效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷。这种技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物、适用温度范围广等特点。热电器件可以实现热能和电能的直接转换，在废热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值，对热电发电器件的能量转换效率进行精确测量是评价热电材料和器件性能的重要基础。

物联网（ IoT ，Internet of Things ）即“万物相连的互联网”，是互联网基础上延伸和扩展的网络，通过将射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。目前常用纽扣电池（coin cell）为物联网硬件供电，但由于高昂的更换费用及低可回收性，纽扣电池并不是一种理想电源。其他能量收集技术中，太阳能（solar cell）是一个可行方案且已经在某些领域中得到应用；另一种被广泛看好的技术为热电转换。如何将周围环境中的低温废热（<473K）有效回收并转换为电能是热电转换技术能否大规模应用的关键。

目前商用的热电转换模块（TEG）多使用Bi-Te基热电材料，但Bi及Te均为稀有元素且Te元素的毒性限制了其大规模应用，据测算，地壳中的全部Te元素无法满足百万兆级别物联网硬件的供电，因此亟需寻找一种环境友好且可以大量生产的热电材料。与Bi-Te基热电材料相比，在473K以下有着良好热电转换表现的热电材料选择并不多，曾有报道指出，Mg-Sb基热电材料可部分应用于低温废热回收。

近日，来自日本国立材料研究所（NIMS）及茨城大学（Ibaraki University）的研究人员使用低成本的Fe-Al-Si基热电材料（FAST）制备了热电转换模块，并对其热电转换特性进行了研究。分别使用两种方法制备的Fe-Al-Si基热电材料，并使用多种检测手段对其电学特性及热电转换性能分别进行了表征。

图1 电导率（a, b）；塞贝克系数（c, d）；功率因子（e, f）与温度的关系

（a, c, e: n-type; b, d, f: p-type）

在进行了材料电输运特性的测试后科研人员随后采用了下图中的步骤制备了热电转换模块（TEG），并对其热电转换性能进行了测试。

图2 热电转换模块（TEG）制备流程

经测试，使用Fe-Al-Si基热电材料制备的热电转换模块，其在室温及小温差条件（～5K）下的开路电压及输出功率数值均符合预期，并使用其为蓝牙通讯模块供电以验证其可靠性，更多测试结果请参考原文^[1]。

图3 热电转换模块（TEG）的开路电压及输出功率

以上工作中，材料的电导率、塞贝克系数使用日本Advance Riko公司生产的塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3测得，热电转换模块（TEG）的开路电压及输出功率使用日本Advance Riko公司生产的小型热电转换效率测量系统Mini-PEM测得。日本Advance Riko公司已专业从事“热”相关技术和设备的研究开发近60年，并一直走在相关领域的前端，为世界各地的科学研究及生产活动提供了诸如红外加热、热分析/热常数测量等系统。2018年初，Quantum Design 中国公司将日本Advance Riko公司的新先进热电材料测试设备：小型热电转换效率测量系统Mini-PEM、塞贝克系数/电阻测量系统ZEM、热电转换效率测量系统PEM及大气环境下热电材料性能评估系统F-PEM引进中国。

2018年7月，Quantum Design中国与日本Advance Riko达成协议，作为其热电材料测试设备在中国的代理商继续合作，携手将日本Advance Riko先进的热电相关设备介绍到中国。

目前，所有中国用户购买的日本Advance Riko热电产品，均由Quantum Design中国公司的工程师团队负责安装及售后服务。同时，Quantum Design 中国公司在日本Advance Riko公司的协助下，在北京建立部分热电设备示范实验室和用户服务中心，更好的为中国热电技术的发展提供设备支持和技术服务。

参考文献：

[1]. Yoshiki Takagiwa, Teruyuki Ikeda, and Hiroyasu Kojima, Earth-Abundant Fe−Al−Si Thermoelectric (FAST) Materials: from Fundamental Materials Research to Module Development, ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 43, 48804–48810

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