我国学者在廉价高效的低品位废热发电研究方面取得进展

在国家自然科学基金项目（批准号：T2125008、51772215）等资助下，同济大学裴艳中教授课题组在开发廉价高效的低品位废热发电器件方面取得进展。相关成果以“用于低品位废热回收的具有突破性热电转换效率的无碲基热电模块（A record thermoelectric efficiency in tellurium-free modules for low-grade waste heat recovery）”为题发表在《自然?通讯》（Nature Communications）杂志上。论文链接为：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27916-y。

我国未被有效利用的300 °C以下的低品位废热在总能耗中的占比高达30%（图1），造成了巨大的能源浪费和严重的环境问题，废热高效利用对于实现“双碳”目标具有重要战略意义。基于半导体的塞贝克（Seebeck）效应可实现热能向电能的直接转换，且不产生任何污染物，尤其在低品位废热发电方面具有不可替代的作用，对节能减排意义深远。热电能量转换技术的核心在于提升热电材料本身的性能，在提高电导率的同时降低热导率，从而提高单位温差所能带来的发电效率。众所周知，电导率和热导率通常相互对立，在300 °C以下时表现尤为突出，如何解决这一矛盾是几十年来物理、化学、材料、工程等领域共同关注的难题。该温区内的高性能热电材料70多年以来一直局限于Bi2Te3，存在Te储量稀缺（与黄金相当）、机械性能薄弱等缺点。因此，研制面向低品位废热发电的廉价高效材料和器件是热电领域长期以来的夙愿。

图1我国能耗结构示意图

同济大学裴艳中课题组基于热电材料电学性质“大数据”所揭示的电学品质因子BE判据快速筛选出几种300 °C以下的非传统Bi2Te3热电材料，通过调控化学组成及晶体结构获得汇聚的能带以及密集的晶格振动驻波，提高了电导率的同时降低了热导率，改观了该重要温区内长期以来材料体系单一的局面（图2）。

图2（a）热电材料电学性能的归一化判据“电学品质因子BE”；（b）室温高性能非Bi2Te3热电材料

基于上述非传统热电材料，本研究重点关注成本低廉的化学组成元素，同时优化电极、扩散阻挡层的选材和结构，通过自主研发的急速加温加压烧结装置制备了一次成型的器件单元，实现了高导电性、高强度及高稳定性的电极与热电材料的焊接，成功获得了高效高稳定性热电发电器件。其发电效率媲美于传统Bi2Te3基材料制备的器件，发电功率与原材料成本的比值提高约15倍；其发电功率高达20千瓦每平方米（相当于20倍标准太阳光能量密度），该高功率特性使得器件用于热电制冷时可在数秒内实现数十度的降温（图3）。上述特征均表明该研究有力地促进了热电转换在低品位废热发电研究方面的规模化和可持续化应用。