2018年1月25日

穿戴裝置的未來新能源—可撓式熱電晶片

游皓任/任職於中央研究院原子與分子科學研究所尖端材料實驗室,專長領域為新穎熱電材料、熱電系統設計與量測、可撓式裝置。


可撓式熱電晶片照片。(游皓任攝影,江怡婷美編)

當世界各國積極開發再生能源時,其中有一種再生能源熱電晶片(Thermoelectric Module, TEM),除了體積小、使用壽命長、無噪音外,還能將熱能與電能相互轉換,並回收廢熱轉換為生活用電。然而傳統熱電晶片目前遭遇相當大的瓶頸,例如:單價高、晶片易碎,所以一直難以在生活中的室溫環境下商業化。近年來可撓裝置與穿戴式裝置的興起,將熱電晶片改良為可撓式晶片應用在裝置中,為熱電晶片的應用帶來新的發展。

熱電材料原理
熱電晶片是利用具有可逆反應的熱電材料,當通過一電流時晶片內部熱電接腳的一端即產生熱,另一端則產生冷,此現象為「帕爾帖效應(Peltier effect)」,其產物則為市面上通稱的制冷晶片(Thermoelectric Cooler, TEC)。相反的,若給晶片兩端溫差,晶片將產生電能,此現象即為「席貝克效應(Seebeck effect)」,即市面上通稱的熱電發電晶片(Thermoelectric Generator, TEG)。

若想了解一個熱電晶片或材料性能的優劣,判讀熱電優值(ZT)是最快的方法,熱電優值越高表示熱電效應越好。熱電優值的定義為:ZT =(S2× ×T)∕ ,其中S 為席貝克係數、 為導電率、T 為絕對溫度、 為熱導率,熱導率 又可以表示為 = p+ e, p 為聲子熱傳導, e 為電子熱傳導。由於熱電效應與溫度高度相關,在不同溫度區段裡,不同溫差下有不同代表性的幾種熱電材料,如常見的低溫高性能材料鉍化銻合金(Bi2Te3),溫度區段為凱氏溫度0~300 度;中溫高性能材料鉛化銻合金(PbTe),溫度區段為凱氏溫度300~600 度;高溫高性能材料半休氏勒合金(Half-Heusler),溫度區段為凱氏溫度600 度以上。......【更多內容請閱讀科學月刊第578期】


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