宾夕法尼亚州立大学科学家领导的一个团队表示，可以将废热转化为清洁能源的热电发电机很快就会与太阳能等其他可再生能源一样高效。

研究人员利用高熵材料创造出了比以前更高效的热电材料，他们表示这一进步甚至可以帮助使长距离太空探索成为可能。他们发表他们的结果发表在期刊上焦耳。

热电装置——包括放射性同位素热电发电机为美国宇航局太空探索飞行器产生能量，可以将温差转化为电能。当它们被放置在靠近热源就像发电厂的蒸汽管一样，电荷载流子（如电子）从热侧移动到冷侧，产生电流。

目前商用器件的效率为 5% 至 6%。研究人员使用他们的新制造方法创建了一个转换效率达到 15% 的原型。研究人员表示，效率的提高意味着现有设备可以缩小 200%，但仍能产生相同的能量，或者相同尺寸的设备可以产生 200% 的能量。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系研究教授、该研究的合著者贝德·波德尔 (Bed Poudel) 表示：“这些发现为我们如何提高热电设备的真正效率指明了新方向。”“我们的工作为创造非常令人兴奋的热电材料提供了一条新途径，并可能导致未来材料开发取得更大进步。”

宾夕法尼亚州立大学队此前使用半霍斯勒合金——一种擅长在中高温下产生热电的特殊材料——以提高器件性能。这些材料通常是由三种金属元素制成的合金，有时添加掺杂剂或少量其他材料以提高性能。

在这项新工作中，科学家们转向了高熵半霍斯勒材料。这些合金由单晶结构中至少五种主要元素制成，具有与半霍斯勒材料相同的特性，但性能有所增强。

“我们在这项工作中所做的就是成功地将高熵工程集成到半赫斯勒系统中，”宾夕法尼亚州立大学副研究教授、该研究的共同通讯作者李文杰说。

“对于传统的化合物，你可能有 100 种选择来制造不同的化学成分。但是当我们使用高熵概念时，我们可以制造出数千种化学成分来改变材料特性。”

科学家们表示，使用具有更多原子的高熵材料意味着晶体结构更加无序，并且载流子需要更长的时间穿过材料，从而降低其导热率。选择额外原子的方式是使材料保持较高的功率因数，功率因数是衡量电气系统将功率转化为有用功的效率的指标。

宾夕法尼亚州立大学博士后学者、该项目负责人 Subrata Ghosh 表示：“在这个概念中，我们可以同时保持高功率因数和低热导率，以最大限度地提高品质因数，这是衡量材料有效性的指标。”该研究的作者。

“高熵工程可以与传统方法相结合，以进一步提高任何类别热电材料的品质因数。”

这种新型热电材料在 1,060 开氏度（约 1,448 华氏度）的温度变化下实现了 1.50 的创纪录高品质因数。科学家们表示，这比目前的尖端材料增加了 50%。

“高熵材料通常用于高温耐火材料应用，例如喷气发动机或高超音速飞行器，但这是第一次将它们用于开发卓越的半赫斯勒热电系统，”李说。

这项工作对于创造更高效的设备具有重要意义废热工业环境的复苏。回收这些废热并用它来提供电力可以减少化石燃料的消耗。而且因为它们没有移动部件并且不会产生化学反应或排放物，热电装置科学家们说，这提供了一种有前途的清洁能源。

热电器件类似于一张有两条腿的桌子——一条腿由 p 型半导体材料制成，一条腿由 n 型半导体材料制成。目前的研究仅适用于p型科学家们表示，进一步将其应用于 n 型材料可能会进一步提高效率。Poudel 表示：“如果我们能够将这一技术应用到更广泛的热电材料中，并继续获得良好的品质因数，我们确实可以将转换效率提高到 20% 或更高。”

“与太阳能或其他固态发电技术相比，这将非常具有竞争力。这是令人兴奋的部分——看看这会给未来的材料开发带来什么。”

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