文章專區

全球暖化的危機迫在眉睫，提升能源使用的效率與開發 對環境友好的能源技術，例如太陽能、氫能、核能、熱電材料、能源儲存系統，是未來全球急需投入之處。而能源科學的發展，也應首重綠色能源和可再生能源技術，以達到2050淨零目標。根據2022年美國能源部（United States Department of Energy, DOE）估計，現階段的能源使用效率僅約為30％，代表有70％的能源以熱能形式散失。而熱電材料及技術，則能將大量的廢熱透過全固態系統直接轉換成電力。因此熱電材料本身不但是一種能源材料，更能在產生能源（電力）的同時減少碳排放，並提升整體的能源使用率，是一種少數能提供雙面正向效應的綠色能源技術。
 
近年來，熱電材料逐漸被產學研界重視，不過熱電材料利用溫差來發電的原理雖然聽來容易，執行起來卻極具挑戰性。目前要在產業上應用遭遇的困難，在於產電效率不高、相對的材料成本太高，以及熱穩定性等考量。
 

認識熱電技術的原理

簡單來說，熱電材料的運作原理源自材料內的載子（charge carrier）〔註〕會由高溫往低溫移動，使材料的高溫端與低溫端具有數量不同的載子，進而出現電位差（electric potential difference）並產生電流。這個現象，由德國物理學家塞貝克（Thomas Seebeck）於 1821年的實驗中首度觀察到，後來被稱為賽貝克效應（Seebeck effect）。只要有溫差存在，熱電材料就能產生電位差，此現象也被稱為熱電發電（thermoelectric generator, TEG）。由於熱電材料本身或模組皆是全固態，在使用上更為穩定、安全且使用壽命較長，這也是熱電技術作為太空探測儀的電力來源的主因。
 

〔註〕載子是指可以自由移動的帶有電荷的物質微粒，例如電子和離子。金屬中的帶電載子是自由電子、電漿中的帶電載子是電離氣體、水溶液中的帶電載子是離子。

 
另一個相關的效應則為熱電制冷（thermoelectric cooler, TEC）的「派帖爾效應」（Peltier effect），此效應由法國物理學家派帖爾（Jean-Charles Peltier）於1834年首次發現，是指當電流通過兩種不同導電性的材料界面時，會引發熱能的吸收或釋放現象。它的原理類似於賽貝克效應的反效應，透過經由施加電流，使熱由高溫端流向低溫端，產生致冷（cooling）的效果，同時也是熱電冰箱的應用原理（圖一）。

 
典型的p型和n型熱電材料〔註〕分別為(Bi, Sb) ₂Te₃和 Bi₂(Se, Te)₃。這些化合物是熱電冷卻器（TEC）的主要材料。在眾多熱電材料中，碲化鉍（Bi₂Te₃）在將熱能轉化為電能方面的效率較高，因此脫穎而出。這種效率在半導體冷卻系統中特別有用，可以為電子裝置提供精準的溫度調控，並且能夠有效收集散失熱的熱能源、顯著提高整體能源效率。
 

〔註〕p型和n型熱電材料：在熱電材料中，p型熱電材料的主要載子為帶正電荷的電洞；n型電熱材料的主要載子為帶負電荷的電子。

 
然而在過去半個世紀中，n型Bi₂(Se, Te)₃BiSeTe的熱電優值（figure-of-merit zT）〔註〕未曾超過1.2，且最高 的zT值也常出現在400 K以上，與它的p型(Bi, Sb)₂Te₃並不匹配（zT的最大值約在室溫，300 K），因而降低 了熱電裝置的整體效率和冷卻性能。另外，雖然p型的(Bi, Sb)₂Te₃在室溫下有優越的熱電性能，但它的易碎性 及使用稀有和有害元素碲（tellurium, Te）限制了它被大規模生產的可能性。因此，開發高性能的n型材料和尋找更可持續的p型替代品已然成為熱電技術的關鍵。
 

〔註〕熱電優值（figure-of-merit zT）為評價熱電材料轉換效率的一個無單位的參數，定義為：zT=S²σT/κ其中：
S是塞貝克係數（Seebeck coefficient），也就是熱電材料在單位溫差下所能產生的電壓
σ是電導率，指的是材料導電的能力
T是絕對溫度
κ是熱導率，包括電子熱導率和晶格熱導率
熱電優值zT愈高，表明該熱電材料的能量轉換效率愈好。理想的熱電材料應具有高的塞貝克係數、高的電導率以及低的熱導率。

熱電技術的應用實例、技術難題及未來潛力

熱電技術有相當多優點，包括零排放、無噪音、體積小，以及幾乎可以忽略的維護需求，已經成為各種現代工業基礎設施中節能溫控的關鍵組件，並廣泛應用於消費電子、通訊、醫療保健、汽車、工業、航空、國防，以及石油和天然氣勘探等行業。其中，熱電技術最具特色的應用包括太空探測儀、煉鋼或者汽車引擎的節能需求。由於多數外太空環境未必像地球有充足的太陽能可供發電，因此常用的太陽能發電機制並不可行；而利用溫差發電可長時間熱電，就成為建置太空探測器的重要技術。此外，在一般產業中同樣可見到熱電的應用身影，例如中鋼與工業技術研究院合作將熱電材料模組製成磁磚樣態，並貼附在煉鋼廠區中，將煉鋼產生的大量熱能轉換成電力供照明使用；或是在汽車引擎內建置熱電材料模組，就可以把300℃的高溫轉換為電力。
 
隨著光通訊、物聯網（Internet of Things, IoT）和智慧型可穿戴設備等新興技術的興起，熱電應用的市場預計將經歷另一次顯著的需求增加。以下簡述熱電應用的一些例子：
 
由美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）於1977年發射的航海家1號（Voyager1）太空船，就開始使用熱電裝置進行發電，2012年在火星上著陸的好奇號（Curiosity）火星探測車也同樣使用「多任務放射性同位素熱電發電機」（multi-mission radioisotope thermoelectric generator, MMRTG，圖二）進行發電。由於只要有溫差就能產生電力，因此熱電裝置非常適合外太空的極端溫度（大約3K），熱電材料的高穩定性也為航海家1號提供了長達40年的穩定運行。因此，提高熱電裝置的性能對太空探測技術的發展有著重大意義。

 
近年來，熱電裝置已應用於各種汽車組件，例如排氣系統、引擎和催化轉化器，將大量廢熱轉化為車輛使用的電能，從而降低燃料消耗。此外，也可裝設於汽車座椅中，以釋放冷／熱空氣，確保長時間駕駛時的座椅舒適。然而，隨著現代汽車中電子組件數量的增加以及對電力的需求日益增長，特別是隨著零排放車輛（zero emission vehicle, ZEV）計畫的推廣，未來汽車中熱電裝置的需求預計將顯著增加。
 
約35年前，美國航空和國防部門也早已在軍事設備中使用熱電裝置。例如噴射發動機會釋放出大量的熱量，若是利用熱電裝置進行廢熱回收，便可以節省超過0.5％的燃料消耗。對於商業飛機來說，節約0.5％的燃料消耗相當於每月運營成本減少12億美元。而在國防應用中，像是無人機、星際追蹤系統和熱成像攝影機等，熱電裝置有助於節省電池更換成本並穩定設備的溫度，提高國防設備的耐用性和靈敏度。因此對航空或國防開發中熱電裝置的需求，預計將顯著增加。
 
對臺灣而言，熱電技術在淨零的浪潮中所扮演的角色關鍵，在於是否能開發高效能且高經濟價值熱電系統，以及是否有適當的熱源適用於回收。臺灣作為一個成熟的工業化國家，2020年的工業用電量約佔55％，若參考DOE每年的統計，在電力資源中有近乎七成的電以熱能形式損失。圖三顯示了臺灣工業廢熱的溫度分布占比，雖是2010年的統計數據，但此數據仍可用來推測現今的工業廢熱比例。臺灣的工業廢熱約60％溫度低於250℃，其次是高溫區超過651℃的熱源佔了約18％，最後則約有20％的工業廢熱落於251∼650℃的溫度區間。此外，熱電材料在臺灣還可以應用於地熱發電，利用豐富的地熱資源進行電力產生，為能源供應帶來更多可能性。

潛力無窮的熱電材料

熱電材料的研究和應用正處於快速發展的階段，未來將有更多的應用領域開啟。熱電材料的發展潛力，不僅體現在它多樣化的應用領域，還體現在不斷提高的轉換效率和性能上。現階段，研究人員正在持續尋找新型熱電材料、改善結構和製程、提高轉換效率。此外，熱電材料也能用於減碳，有機會作為綠色能源的一部分，為產業和社會提供高效能的綠色材料。未來的研究方向可能包括更多功能的熱電材料開發，以及更高效的熱電材料製程和裝置的設計。在國家科學及技術委員會的支持下，熱電材料的研究和應用前景將更加廣闊，有望成為未來永續發展的關鍵技術。