为什么热电材料的 ZT 值这么难提高?这要从温差发电技术所依赖的物理原理——热电效应本身说起。

金属或者半导体的内部存在有一定数量的载流子（比如电子或者空穴），而这些载流子的密度会随着温度的变化而出现变化，如果物体的一端温度高，另一端温度低，就会在同一个物体中间出现不同的载流子密度。

只要可以维持物体两端的温差，就能使载流子持续扩散，从而形成稳定的电压，这便是温差发电的原理。

而温差发电的效率，取决于热电材料的三个重要的特性：

第一、塞贝克系数（材料在有温度差的情况下产生电动势的能力），塞贝克系数越高，相同的温差下产生的电动势就越高，意味着能够发出来的电就越多。

第二、电导率（材料的导电性），电导率越高，电子在材料内部就可以越容易地扩散。

第三、热导率（材料的导热系数），热导率越高，热量就可以更快速地从热端传递到冷端，从而让温差发电所依赖的温度差消失，电动势也就随之消失。

显然对于热电材料来说，前两种能力是越强越好，而后一种能力则是越弱越好。

热电优值系数 ZT，也就是这三个参数的集合：塞贝克系数越高、电导率越高、热导率越低，ZT 值就越高，材料进行温差发电的效率也就越高。

因此，热电材料的研究，其关键就是如何提高材料的 ZT 值，也就是在实现高的塞贝克系数和电导率的同时，获得低的热导率。

不过想同时优化这三个参数，是一件十分困难的事情。因为这三种性质是相互关联的，提升一种性质，往往伴随着另一种、甚至两种性质的指标出现削弱。

一般情况下，提升材料的塞贝克系数，就会降低其电导率。这种三个参数之间相互关联的性质，这使得热电材料的研发一直进展缓慢。

然而，三种参数“一损俱损、一荣俱荣”的这种关系，也不是完全绝对的。

这个“利益共同体”也有一个“叛徒”——热导率，更准确地说，是热导率的一部分。材料的热导率包括两个部分，分别是电子热导率和声子热导率。

其中，前者与电导率息息相关，是“利益共同体”的一分子；但声子热导率，却是在决定热电材料性质的各种参数之中，唯一对 ZT 值里其它所有的参数都没有影响的参数。

这个维也纳大学团队的研究思路，便是在不影响材料电子热导率的情况下，通过降低声子热导率的方式来降低整体热导率。

具体到材料的微观层面，就是在不影响电子输运的前提下，通过一些特殊的构造，来增强声子的散射，从而只降低材料的声子热导率，却不改变其它参数。

他们从 2013 年开始，经过多年的研究，发现了一种可以同时实现高电子热导率和低声子热导率的材料。

用一层覆盖在硅晶体上的由铁、钒、钨和铝元素组成的合金材料，实现了高达 5 到 6 的 ZT 值，让 ZT 值比现有最好水平翻了倍。

在通常情况下，这种由铁、钒、铝、钨四种元素组成的合金，其结构非常规则，例如，钒原子旁边一定只有铁原子，铝原子也一样，而两个相邻的同元素原子之间的距离也总是一样。

然而，当科学家们把薄薄的一层这种材料，与硅材料基底相结合的时候，神奇的事情就出现了。

尽管这些原子仍然维持着原有的立方体的结构，但原子之间的相互位置却发生了剧烈的改变。

以前该是一个钒原子出现的位置，现在可能变成了一个铁原子或者铝原子；而一个铝原子旁边本来该是一个铁原子，现在可能还是一个铝原子，甚至是一个钒原子。

而且，这种各个原子之间位置的改变，完全随机，毫无规律可循。

这种有序和无序相结合的晶体结构，就让材料产生了独特的性质：

电子依然可以有自己的特殊路径，在晶体里“自由”穿梭，使得电导率和电子热导率不受影响；但热量传导依赖的声子迁移却被不规则的结构阻隔，导致声子热导率大幅下降。

这样一来，热端和冷端的温度差得以维持，由此产生的电势差也就不会消失。

维也纳大学团队也就实现了梦寐以求的热电材料电子热导率不变、声子热导率下降，从而大幅提升ZT值到6的目标。

而他们的理论上，如果可以改变相关概念材料的拓扑结构，ZT值达到20也将不再只是梦想。

ZT值达到6，热效率将达到12%左右，如果ZT值可以提升到20，热效率可以和蒸汽轮机相提并论。

而温差发电设备和蒸汽轮机比起来，那个结构就简单到极点，比如上面提到的钚同位素电池，它就是温差发电电池。

不过材料学方面，黄豪杰不如正统的李想他们，他连忙向材料研究所发了一个研究课题，让材料研究所专门研发一种ZT值为20左右的热电材料。

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