熱電冷卻

熱電冷卻指利用熱電效應中的珀耳帖效應，將P型和N型半導體串聯來實現對熱量的轉移，從而實現製冷或冷卻。這被用於精密電子儀器、衛星遙感、深海潛艇等場景的無噪音製冷。這種製冷設備常被稱作珀耳帖冷卻器、珀耳帖熱泵、固態冰箱或熱電冷卻器（TEC）。這種熱電設備不僅可以製成製冷設備用以降溫，通常也可以製成熱泵用以加熱，或者製成制熱、製冷兼具的溫度控制器^[1]。

與蒸汽壓縮製冷相比，熱電冷卻器的主要優點是沒有移動部件或循環液體、使用壽命長、不易泄漏、尺寸小和形狀靈活，特別是無噪音、無機械振動，使其稱為一些特殊應用的唯一選擇。其主要缺點是成本過高和功率效偏低（表觀的性能係數COP不及蒸汽壓縮製冷）。科研人員和技術公司都在努力研發更高效率且更低成本的熱電冷卻器。

熱電冷卻材料

各種材料和鉍合金的 ZT 值。 ^[2]

對熱電材料的要求^[3]：

• 高導電性（降低電阻，廢熱源）；
• 低熱導率
• 高塞貝克係數

適用於高效熱電冷卻系統的材料必須兼具低導熱性和高導電性。技術人員通常會使用一項稱之為 ${\displaystyle ZT}$ 的品質因數來比較不同材料或材料組合的效率，${\displaystyle ZT}$ 是衡量系統效率的指標。 ${\displaystyle ZT}$的方程式如下:^[4] $${\displaystyle ZT=(S^{2}\sigma T)/\kappa }$$ 其中 ${\displaystyle S}$ 是塞貝克係數，${\displaystyle \sigma }$ 是電導率，而 ${\displaystyle \kappa }$ 是熱導率。適合熱電製冷應用的材料非常稀有，因為導熱性、導電性和塞貝克係數之間常有很強的關聯效應，從而使優化工作非常艱難，例如導電性增加時，往往會同時增加導熱性、降低塞貝克係數。因此，克服這幾項物理量之間的強關聯性，發展新型熱電材料，是材料科學研究的一個活躍領域。^[5]

幾十年來，熱電偶的製作材料一直傾向於使用窄帶隙半導體，如鉍、碲及其化合物，包括碲化鉍、碲化鉛、矽鍺和銻鉍合金等。其中，常溫下最常用的是碲化鉍材料及其參雜後的複雜化合物。「唐-崔瑟豪斯理論」提出，經過工程改造的、具有納米結構的一些寬帶隙半導體，可以更有效的提高熱電冷卻性能。 ^[6][7] 隨後，唐爽在麻省理工學院和IBM進一步指出，基於碳元素的半導體或半金屬材料在嵌入計算機晶片時，可以用作可轉換型熱處理器件，在被動導熱和主動熱電冷卻之間相互轉換，適用於特殊應用場景的要求，如衛星，穿梭機和潛艇。 ^{[8] [9]}

參考文獻

1. Taylor, R.A.; Solbrekken, G.L. Comprehensive system-level optimization of thermoelectric devices for electronic cooling applications. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 2008, 31: 23–31. S2CID 39137848. doi:10.1109/TCAPT.2007.906333.
2. DiSalvo, Francis. Thermoelectric Cooling and Power Generation. Science. July 1999, 285 (5428): 703–6. PMID 10426986. doi:10.1126/science.285.5428.703.
3. Goldsmid, H. Julian. Introduction to Thermoelectricity. Springer Series in Materials Science 121. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg. 2016. Bibcode:2016inh..book.....G. ISBN 978-3-662-49255-0. doi:10.1007/978-3-662-49256-7.
4. Poudel, Bed. High-Thermoelectric Performance of Nanostructured Bismuth Antimony Telluride Bulk Alloys. Science. May 2008, 320 (5876): 634–8 [2023-06-18]. Bibcode:2008Sci...320..634P. PMID 18356488. S2CID 206512197. doi:10.1126/science.1156446. （原始內容存檔於2023-05-31）.
5. Snyder, G.J.; Toberer, E.S. Complex Thermoelectric Materials. Nature Materials. 2008, 7 (2): 105–114 [2023-06-18]. Bibcode:2008NatMa...7..105S. PMID 18219332. doi:10.1038/nmat2090. （原始內容存檔於2023-08-12）.
6. Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. Building the Principle of Thermoelectric ZT Enhancement. 2014. arXiv:1406.1842 .
7. Tang, Shuang. Using Pseudo-ZTs for Thermoelectric Materials Search (PDF). ES Materials & Manufacturing. 2019, 4: 45-50 [2023-06-18]. doi:10.30919/esmm5f213. （原始內容存檔 (PDF)於2022-08-02）.
8. Tang, Shuang. Optimized Active Cooling and Refrigeration using Antidoted Graphene for Heat Management of Microelectronics. ES Materials & Manufacturing. 2022, 17: 57-62 [2023-06-18]. doi:10.30919/esmm5f668. （原始內容存檔於2023-06-17）.
9. Tang, Shuang. Carbon Nanotubes for Active Refrigeration and Cooling in Micro and Mesoscale Systems. Engineered Science. 2022, 18: 263-270 [2023-06-18]. doi:10.30919/es8d578. （原始內容存檔於2023-06-17）.