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本校物理學系劉嘉吉教授之研究取得熱電能源材料突破成果
  • 本校物理學系劉嘉吉教授之研究取得熱電能源材料突破成果,最新的結果則發表於跨領域期刊Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 4825-4831。
    本校物理學系劉嘉吉教授之研究取得熱電能源材料突破成果,最新的結果則發表於跨領域期刊Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 4825-4831。

  本校物理系劉嘉吉教授之新材料暨熱電實驗室以水熱法製備摻雜銻之碲化鉍奈米晶體,再以真空封管的方法燒結,在-7℃ (290 K)與-27℃(270 K)分別可以得到 ZT = 1.65 and 1.75的突破性結果。在室溫附近的溫度範圍,摻雜銻的碲化鉍合金是目前最廣泛應用的商用的熱電材料,其熱電優值ZT值,2008年以前過去的50年一直維持在1左右。直到2008年,發表在Science期刊報導在100℃時的ZT值可達到1.4。突破ZT>1一直是熱電領域努力的目標,能夠得到2< ZT<3的塊材材料則是夢想目標,因為落在此區間的材料估計其發電效率可達15-20%。本研究的初期成果於2010年獲得中華民國物理年會鐵基超導/能源科技的壁報論文獎,後續又於Journal of Materials Research的熱電專刊Advances in Thermoelectric Materials由其主編選定為Reviews論文,最新的結果則發表於跨領域期刊Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 4825-4831。其Impact factor為5.101。

 

  熱電材料的兩大應用:製作發電機與冷卻器。太陽光能、汽車內燃機與尾氣廢熱、工廠鍋爐與煙囪的廢熱都可提供熱電發電機所需的熱能;現在市面上的行動冰箱即是以熱電元件製成,若把電流的極性反向,行動冰箱即可成為行動保溫箱。熱電材料的能量轉換效率可以其熱電優值Z值來表示: Z = σS² /(κe+κl)

 

  上式中,σ為導電度,S為熱電力(或稱Seebeck係數),κe為載子所貢獻的熱導度,κl為晶格所貢獻的熱導度。公式中分子代表的是與材料發電能力有關的功率因子﹙power factor﹚,而分母則代表材料之熱導能力。熱電優值Z的單位為T-1,會隨著溫度而變化,所以通常以無單位的ZT值來表示。ZT值越大,發電效率與冷卻效果就越好。因此,ZT值的改善,可歸因於材料的奈米結構化所產生的更多晶界,使得散射熱傳導的聲子更有效,導致晶格熱導度κl大幅度的下降,因而提高ZT值。熱電材料的低熱導度可確保熱電元件的溫差,以能夠持續其發電或冷卻功能。

 

  因為低於100℃的廢熱廣泛存在於我們的周遭環境中,這些廢熱都可以加以回收用於發電。ZT值的突破有助於發展回收這些廢熱轉換成有效的能源。

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