新加坡國立大學歐陽建勇AEM：離子-電子混合熱電轉換器可以利用溫度波動和溫度差產生極高的熱電功率

熱能在我們的生活和工作中大量使用。但是熱能的利用效率一般只用30-40%。因此，熱能的大部分是以廢熱的形式耗散在環境。同時，在自然也會產生很多的熱能，比如電熱和光熱。因此廢熱收集對于可持續發展非常重要。熱電材料可以直接將熱量轉換成電能而不需要復雜的設備。傳統上的熱電材料是電子或是空穴作為載流子的電子材料，其塞貝克系數普遍低于300mV/K。在發現塞貝克效應后的將近200年間，雖然對熱電材料作了大量的研究，但是它們的熱電功率還是不高。因此，它們的應用很有限。

針對這一問題，新加坡國立大學歐陽建勇教授課題組首次制備了離子-電子混合熱電轉換器。該器件有離子層與電子層的雙層結構。電子層可以在溫差下利用塞貝克效應將熱量轉換成電能。 同時，離子層可以利用溫度波動的Soret效應將熱能轉換為電。因此，它們可以產生極高的熱電轉換功率。其熱電轉換功率至少是電子熱電發電機的4倍。

該研究小組還詳細研究了該器件的工作機理。他們提出極高的熱電轉換功率與電子導電層和離子導電層間的雙電層有關。溫度的變化會引起離子導電層的離子積累從而產生很高的熱電壓，離子導電層的離子積累會被電子導電層的電荷平衡。這個過程會產生除了塞貝克效應外的熱電轉換。該研究小組進一步建立了這個器件的等效電路模型。他們發現該器件的性能可以通過改變離子導電層或者電子導電層的性能來實現。除了溫度差外，熱電轉換功率與溫度變化也有關。在溫度劇烈變化下，離子-電子雙層器件的熱電功率可以是電子熱電發電機的20倍。

該成果以“Ultrahigh Thermoelectric Power Generation from Both Ion Diffusion by Temperature Fluctuation and Hole Accumulation by Temperature Gradient”為題發表在Adv Energy Mater。通訊作者是歐陽建勇教授，第一作者是程漢霖博士。

本文由新加坡國立大學歐陽建勇教授課題組供稿。