Advanced Energy Materials: 离子/电子混合热电转换器可以产生极高的热电转化功率

热电材料可以用来直接将热能转换成电能。他们可以把地球上大量的废热利用起来。因此热电材料对可持续发展有很重要的意义。高效的热电材料应该有高的热电压,高的电导率和低的热导率。传统上的热电材料是电子或是空穴作为载流子的电子材料,其塞贝克系数普遍低于300mV/K。在发现塞贝克效应后的将近200年间,虽然对热电材料作了大量的研究,但是它们的热电转换功率还是不高。因此,它们的应用很有限。

针对这一问题,新加坡国立大学欧阳建勇教授课题组首次制备了离子-电子双层器件实现热电转换。电子导电材料层可以在温差下利用塞贝克效应将热量转换成电能,同时离子导电层可以在温度的变化下利用Soret效应将热转换成电。因此,它们可以产生极高的热电转换功率。其热电转换功率至少是电子热电发电机的4倍。该工作最近发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202001633)。文章第一作者是程汉霖博士。 该研究小组还详细研究了该器件的工作机理。他们提出极高的热电转换功率与电子导电层和离子导电层间的双电层有关。温度的变化会引起离子导电层的离子积累从而产生很高的热电压,离子导电层的离子积累会被电子导电层的电荷平衡。这个过程会产生除了塞贝克效应外的热电转换。该研究小组进一步建立了这个器件的等效电路模型。他们发现该器件的性能可以通过改变离子导电层或者电子导电层的性能来实现。除了温度差外,热电转换功率与温度变化也有关。在温度剧烈变化下,离子-电子双层器件的热电转换功率可以是电子热电发电机的20倍。