“電子三明治”提高熱電轉(zhuǎn)換效率

朱崇愷

電廠(chǎng)、工廠(chǎng)、汽車(chē)、計(jì)算機(jī)甚至人體，在工作的過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生余熱，這些余熱又稱(chēng)為“廢熱”，而這一部分的熱量往往都會(huì)被浪費(fèi)掉。解決這個(gè)問(wèn)題的方法之一，是將浪費(fèi)的熱量轉(zhuǎn)換成電能，這被稱(chēng)為熱電轉(zhuǎn)換。但是，由于材料內(nèi)所需特性之間的權(quán)衡關(guān)系，提高轉(zhuǎn)換率一直很困難。

當(dāng)熱電材料中存在溫差時(shí)，它能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)化為電能，這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于，兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差（電壓），該電勢(shì)差是由于兩種金屬中的電子溢出功不同以及兩種金屬中電子濃度不同造成的。科學(xué)家一直在研究如何將電子限制在狹窄的空間內(nèi)，以此來(lái)提高熱電轉(zhuǎn)換效率。研究人員預(yù)測(cè)，如果德布羅意波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電子（也就是更加分散的電子）被限制在一個(gè)狹窄的導(dǎo)電層中，那么熱電轉(zhuǎn)換效率可以顯著提高，但這尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

由北海道大學(xué)太田裕道（Hiromichi Ohta）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組設(shè)計(jì)了一個(gè)超晶格，其中電子分布比先前的實(shí)驗(yàn)擴(kuò)大了30%。這不但導(dǎo)致了更高的電壓，而且使熱電轉(zhuǎn)換效率比原先的記錄增加了一倍。太田裕道教授認(rèn)為“這是朝著降低電廠(chǎng)、工廠(chǎng)、汽車(chē)、電腦甚至人體浪費(fèi)的熱量的目標(biāo)，邁出的重要一步”。