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致冷晶片、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。

工作原理

主條目：熱電效應

熱電冷卻器透過珀爾帖效應（構成熱電效應的三種現象之一）運作。^[2]熱電模組由三個部分組成：導體、支架和基板。許多這樣的模組在電氣上是串聯的，但在熱上是並聯的。^[2]當直流電流流經設備時，它會將熱量從一側傳到另一側，從而使一側變冷，而另一側變熱。

熱側連接至散熱器以限制其溫度升高，而冷側則低於環境溫度。在特殊應用中，可以將多個冷卻器級聯或分階段組合在一起以獲得較低的溫度，但整體效率（COP）會顯著下降。任何冷卻循環的最大 COP 最終都受到熱側和冷側之間溫差的限制。溫差越大，最大理論COP越低。這兩種溫度都取決於向設備傳遞熱量或從設備傳出的熱量的速率，以及設備內部的熱量運動。

製造

熱電冷卻材料

各種材料和鉍合金的 ZT 值。 ^[3]

對熱電材料的要求^[4]：

• 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:^[5] $${\displaystyle ZT=(S^{2}\sigma T)/\kappa }$$ 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。^[6]

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。 ^[7][8] 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。 ^{[9] [10]}