賓州州立大學科學家領導的團隊表示，可以將廢熱轉化為清潔能源的熱電發電機很快就會與太陽能等其他再生能源一樣高效。

研究人員利用高熵材料創造了比以前更有效率的熱電材料，他們表示這項進步甚至可以幫助長距離太空探索成為可能。他們發表他們的結果發表在期刊上焦耳。

熱電裝置－包括放射性同位素熱電發電機為美國太空總署太空探索飛行器產生能量，可以將溫差轉換為電能。當它們被放置在靠近熱源就像發電廠的蒸汽管一樣，電荷載子（如電子）從熱側移動到冷側，產生電流。

目前商用裝置的效率為 5% 至 6%。研究人員使用他們的新製造方法創建了一個轉換效率達到 15% 的原型。研究人員表示，效率的提高意味著現有設備可以縮小 200%，但仍能產生相同的能量，或相同尺寸的設備可以產生 200% 的能量。

賓州州立大學材料科學與工程系研究教授、該研究的合著者貝德·波德爾 (Bed Poudel) 表示：“這些發現為我們如何提高熱電設備的真正效率指明了新方向。”“我們的工作為創造非常令人興奮的熱電材料提供了一條新途徑，並可能導致未來材料開發取得更大進步。”

賓州州立大學隊此前使用半霍斯勒合金——一種擅長在中高溫下產生熱電的特殊材料——以提高裝置性能。這些材料通常是由三種金屬元素製成的合金，有時添加摻雜劑或少量其他材料以提高性能。

在這項新工作中，科學家們轉向了高熵半霍斯勒材料。這些合金由單晶結構中至少五種主要元素製成，具有與半霍斯勒材料相同的特性，但性能有所增強。

「我們在這項工作中所做的就是成功地將高熵工程整合到半赫斯勒系統中，」賓州州立大學副研究教授、該研究的共同通訊作者李文傑說。

“對於傳統的化合物，你可能有 100 種選擇來製造不同的化學成分。但是當我們使用高熵概念時，我們可以製造出數千種化學成分來改變材料特性。”

科學家表示，使用具有更多原子的高熵材料意味著晶體結構更加無序，並且載子需要更長的時間穿過材料，從而降低其導熱率。選擇額外原子的方式是使材料保持較高的功率因數，功率因數是衡量電氣系統將功率轉換為有用功的效率的指標。

賓州州立大學博士後學者、該計畫負責人 Subrata Ghosh 表示：“在這個概念中，我們可以同時保持高功率因數和低熱導率，以最大限度地提高品質因數，這是衡量材料有效性的指標。”研究的作者。

“高熵工程可以與傳統方法相結合，以進一步提高任何類別熱電材料的品質因數。”

這種新型熱電材料在 1,060 開氏度（約 1,448 華氏度）的溫度變化下實現了 1.50 的創紀錄高品質因數。科學家表示，這比目前的尖端材料增加了 50%。

「高熵材料通常用於高溫耐火材料應用，例如噴射發動機或高超音速飛行器，但這是第一次將它們用於開發卓越的半赫斯勒熱電系統，」李說。

這項工作對於創造更有效率的設備具有重要意義廢熱工業環境的復甦。回收這些廢熱並用它來提供電力可以減少化石燃料的消耗。而且因為它們沒有移動部件並且不會產生化學反應或排放物，熱電裝置科學家說，這提供了一種有前途的清潔能源。

熱電裝置類似於一張有兩條腿的桌子——一條腿由 p 型半導體材料製成，一條腿由 n 型半導體材料製成。目前的研究僅適用於p型科學家表示，進一步將其應用於 n 型材料可能會進一步提高效率。Poudel 表示：“如果我們能夠將這項技術應用到更廣泛的熱電材料中，並繼續獲得良好的品質因數，我們確實可以將轉換效率提高到 20% 或更高。”

“與太陽能或其他固態發電技術相比，這將非常具有競爭力。這是令人興奮的部分——看看這將為未來的材料開發帶來什麼。”

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