熱電冷卻

热电冷却指利用热电效应中的珀耳帖效应，将P型和N型半导体串聯来实现对热量的转移，从而实现制冷或冷却。这被用于精密电子仪器、卫星遥感、深海潜艇等场景的无噪音制冷。这种制冷设备常被称作珀耳帖冷却器、珀耳帖热泵、固态冰箱或热电冷却器（TEC）。这种热电设备不仅可以制成制冷设备用以降温，通常也可以制成热泵用以加热，或者制成制热、制冷兼具的温度控制器^[1]。

与蒸汽压缩制冷相比，热电冷却器的主要优点是没有移动部件或循环液体、使用寿命长、不易泄漏、尺寸小和形状灵活，特别是无噪音、无机械振动，使其称为一些特殊应用的唯一选择。其主要缺点是成本过高和功率效偏低（表观的性能系数COP不及蒸汽压缩制冷）。科研人员和技术公司都在努力研发更高效率且更低成本的热电冷却器。

热电冷却材料

各种材料和铋合金的 ZT 值。 ^[2]

对热电材料的要求^[3]：

• 高导电性（降低电阻，废热源）；
• 低熱導率
• 高塞贝克系数

适用于高效热电冷却系统的材料必须兼具低导热性和高导电性。技术人员通常会使用一项称之为 ${\displaystyle ZT}$ 的品质因数来比较不同材料或材料组合的效率，${\displaystyle ZT}$ 是衡量系统效率的指标。 ${\displaystyle ZT}$的方程式如下:^[4] $${\displaystyle ZT=(S^{2}\sigma T)/\kappa }$$ 其中 ${\displaystyle S}$ 是塞贝克系数，${\displaystyle \sigma }$ 是电导率，而 ${\displaystyle \kappa }$ 是热导率。适合热电制冷应用的材料非常稀有，因为导热性、导电性和塞贝克系数之间常有很强的关联效应，从而使优化工作非常艰难，例如导电性增加时，往往会同时增加导热性、降低塞贝克系数。因此，克服这几项物理量之间的强关联性，发展新型热电材料，是材料科学研究的一个活跃领域。^[5]

几十年来，热电偶的制作材料一直倾向于使用窄带隙半导体，如铋、碲及其化合物，包括碲化铋、碲化铅、硅锗和锑铋合金等。其中，常温下最常用的是碲化铋材料及其参杂后的复杂化合物。“唐-崔瑟豪斯理论”提出，经过工程改造的、具有纳米结构的一些宽带隙半导体，可以更有效的提高热电冷却性能。 ^[6][7] 随后，唐爽在麻省理工学院和IBM进一步指出，基于碳元素的半导体或半金属材料在嵌入计算机芯片时，可以用作可转换型热处理器件，在被动导热和主动热电冷却之间相互转换，适用于特殊应用场景的要求，如卫星，航天飞机和潜艇。 ^{[8] [9]}

参考文献

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. （原始内容存档于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. （原始内容存档于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. （原始内容存档 (PDF)于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. （原始内容存档于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. （原始内容存档于2023-06-17）.